5.1 I/O系统概述

5.1.1 I/O设备

1. 设备的分类
   按信息交换
   1）块设备 ，信息交换以数据块为单位，属于有结构设备，如磁盘等。磁盘设备的基本特征是传输率高，可寻址。
   2）字符设备，信息交换以字符为单位，属于无类型结构，如交换机打印机等，传输效率低，不可寻址。
   按传输效率
   1）低速设备
   2）中速设备
   3）高速设备

2. I/O接口
   io接口位于cpu与设备之间，既要与CPU通信，又要与设备通信，还要具有按cpu发来的命令去控制设备的功能。主要由三部分组成
   1）设备控制器与cpu的接口，数据线，地址线，控制线
   2）设备控制器与设备接口
   3）io逻辑
   

3. I/O端口
   io端口指设备控制器中可被cpu访问的寄存器，只要有以下三类：
   数据寄存器
   状态寄存器
   控制寄存器
   实现cpu与io端口通信，有两种方法：
   1）独立编址
   2）统一编址

5.1.2 I/O控制方式

设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或cpu之间的数据传送，外围设备和内存之间的输入输出控制方式有四种，下面分别加以介绍：

1. 程序直接控制方式
   简单易于实现但cpu利用率低。
2. 中断驱动方式
   允许io设备主动打断cpu的运行并请求服务。更有效，但仍然会消耗较多时间。
3. DMA方式
   在io设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底解放cpu。
   1）基本单位是数据库
   2）所传送的数据，是从设备之间存入内存的，或者相反
   3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要cpu干预，整块数据传送是在DMA控制器的控制下完成的。
   
   要在主机与控制器之间实现数据的直接交换，须在DMA控制器中设置如下四类寄存器：
   1）命令/状态寄存器
   2）内存地址寄存器
   3）数据寄存器
   4）数据计数器
   DMA方式与中断方式的主要区别是，中断方式在每个数据需要传输时中断cpu，而DMA方式则是在所要求传送的一批数据传送结束时才中断cpu。此外，中断方式的数据传送是在中断处理时cpu控制完成，而DMA方式则是在DMA控制器下完成的。
4. 通信管道方式
   io通道是指专门负责输入输出的处理机，io通道方式是DMA方式的发展，他可以进一步减少cpu的干预。即把一个数据块的读或写为单位干预，减少对一组数据块的读或写及有关控制和管理为单位干预，同时，又可以实现cpu通道和I/O设备三者并行操作，从而更有效提高整个系统的资源利用率。
   通道指令类型单一，没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机内存中的，也就是说，通道与cpu共享内存，通道中传输数据块大小传输内存位置这些信息由通道控制，一个通道可以控制多台设备与内存数据交换。

5.1.3 I/O软件层次结构

5.1.4 应用程序的I/O接口

（1）字符设备接口
（2）块设备接口
（3）网络设备接口
（4）阻塞/非阻塞I/O

5.2 设备独立性软件

5.2.1 与设备无关的软件

与设备无关的软件是I/O系统最高层软件，他的下层是设备驱动程序，其间的界限因操作系统和设备的不同而有所差异。

5.2.2 高速缓存与缓冲区

1. 磁盘高速缓存
   利用内存中的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。磁盘高速缓存逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块。
   高速缓存在内存中分为两种形式，一种是在内存中开辟一个单独的空间作为磁盘高速缓存，大小固定。另一种是把未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘IO共享。

2. 缓冲区
   在设备管理子系统中，引入缓冲区主要目的如下：
   1）缓和cpu与io设备间速度不匹配的矛盾。
   2）减少对CPU的中断频率，放宽对cpu中断响应时间的限制。
   3）解决基本数据单元大小（即数据粒度不匹配的问题）。
   4）提高cpu与io设备之间的并行性。
   实现方法如下：
   1）采用硬件缓冲器，成本高，除关键部位一般不用。
   2）采用缓冲区（位于内存区域）
   根据系统设置缓冲器的个数，缓冲技术可以分为如下几种：
   （1）单缓冲
   （2）双缓冲
   （3）循环缓冲
   （4）缓冲池

3. 高速缓冲与缓冲区对比
   

5.2.3 设备分配与回收

1. 设备分配概述
   设备分配是指根据用户的io请求分配所需的设备。分配的总原则是充分发挥设备的使用效率，尽可能让设备忙碌，又避免由于不合理的分配方法造成进程死锁。从设备的特性来看，采用以下三种方通过分时式的设备成为独占设备、共享设备和虚拟设备。
   1）独占式使用设备：进程分配到独占设备后，便由其独占，直至该进程释放该设备。
   2）分时式共享使用设备：对于共享设备，可同时分配多个进程，通过分时共享使用。
   3）以spooling方式使用外部设备，spooling技术实现了虚拟设备功能，可以将设备同时分配多个进程，这种技术实质上就是实现了对设备的io操作的批处理。
2. 设备分配的数据结构
   设备分配依据的主要数据结构有设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT），各数据结构功能如下：
   
   
3. 设备分配策略
   1）设备分配原则
   设备分配应根据设备特性，用户要求和系统配置情况，既要充分发挥设备使用效率，又要避免造成进程死锁，还要将用户程序和具体设备隔离开来。
   2）设备分配方式
   静态分配：主要用于对独占设备的分配，在用户作业开始执行前，由系统一次性分配该作业的全部设备，控制器，一旦分配，这些设备控制器就一直由该作业所占用，直到该作业撤销，静态分配不会遭遇死锁，但设备利用率低。
   动态分配：在进程执行过程中，根据执行才需要进行，当进程需要设备时，通过系统调用命令向系统提出调用请求，由系统按某种策略给进程分配所需设备控制器，一旦用完，便立即释放。提高了设备利用率，但若分配方式不当，可能造成死锁。
   3）设备分配算法
   先请求先分配。优先级高者优先等。
   
4. 设备的安全性
   
5. 逻辑设备名到物理设备的映射
   

5.2.4 spooling技术（假脱机技术）

操作系统中采用的一项独占设备改造成共享设备的技术。该技术利用专门的外围控制机，将低俗io设备上的数据传送到告诉磁盘，或者相反。