功能
- 隐藏物理设备的细节
- 与设备的无关性
- 使用逻辑名访问设备
- 有效的提高OS的可移植性
- 提高CPU和I/O设备的利用率
并行 - 对I/O设备进行控制
- 确保对设备的正确共享
- 独占设备
- 共享设备
- 错误处理
I/O系统的层次结构和模型
I/O系统的分层：
- 中断处理程序：I/O系统底层，直接与硬件交互
- 设备驱动程序：次底层，进程与设备控制器间的通信
- 设备独立性软件：I/O独立于具体使用的物理设备(与设备无关性)
I/O设备
- 存储设备：磁盘、硬盘等
- 输入输出设备：鼠标键盘、显示器等
按传输速率分类
- 低速设备：键盘、鼠标、语音输入输出等
- 中速设备：激光打印机等
- 高速设备：磁带机、光盘机等
设备控制器
功能：
- 接受和识别命令：控制寄存器
- 数据交换：数据寄存器
- 表示和报告设备的状态：状态寄存器
- 地址识别：地址译码器
- 数据缓冲区：解决速度不匹配问题
- 差错控制
组成：
定义：为减轻CPU的负担，处理一些I/O任务。
CPU发送通道指令给通道，通道发出中断与CPU通信。
通道是一种特殊的处理机，可以执行I/O指令。
通道没有自己的内存，与CPU共享内存。
类型：因为外围设备类型较多传输速率相差非常大，所以有多种类型
- 字节多路通道：子通道按
时间片轮转方式共享主通道，子通道完成一个字节的数据传输立即让出通道给别的子通道。适用于低速设备
- 数组选择通道：一段时间内只能执行一道通道程序，数据传送方式按数组进行。
磁盘机、磁带机等 - 数组多路通道：前两种结合。
并发利用率高、传输速率高硬件成本高
瓶颈问题：通道贵所以少，成了I/O的瓶颈(最窄的地方)，造成系统吞吐量下降。
解决方法：增加通道与设备控制器间的通路。
中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种相应。
陷入：CPU内部事件所引起的中断。
中断向量表：为每种设备配以相应中断处理程序，程序入口放在中断向量表的一个表项中，每个设备的中断请求规定一个中断号对应一个表项。
中断优先级及CPU处理方式
- 屏蔽中断：处理一个中断时屏蔽所有中断
- 嵌套中断
- 多个不同优先级同时请求时，优先相应优先级最高的
- 高优先级中断可以抢占正在运行的低优先级中断
中断处理程序
- 测定是否有未响应的中断信号
- 保护被中断进程的CPU环境
- 转入相应的设备处理程序
- 中断处理
- 恢复CPU现场并退出中断
功能
- 接受与设备无关的软件发来的命令和参数
- 检查I/O请求的合法性
- 发出I/O命令
- 及时响应由设备控制器发来的中断请求
特点
- 实现在与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换
- 与设备控制器以及I/O设备的硬件特性紧密相关
- 与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关
- 其中一部分必须用汇编语言书写
- 驱动程序应允许可重入
处理过程
- 把抽象要求转换为具体要求
- 对服务请求进行校验
- 读出和检查设备的状态
- 传送必要参数
- 启动I/O设备
对I/O设备的控制方式
直接存储器访问方式(Direct Memory Access)
- 数据传输单位是
块 - 所传送数据是
从设备直接送入内存，或者相反 - 整块数据的传送在控制器的控制下完成
组成：主机与DMA控制器接口、DMA控制器与块设备接口、I/O控制逻辑
I/O通道控制方式：收到CPU发出的通道指令后，执行通道程序完成CPU指定的I/O任务。
通道程序：一系列通道指令构成。包含操作码、内存地址、计数、通道程序结束位、记录结束标志。
I/O重定向：用于I/O操作的设备可以更换而不必改变应用程序
- 设备驱动程序的统一接口
- 缓冲管理
- 差错控制
- 对独立设备的分配与回收
- 独立于设备的逻辑数据块
假脱机(Spooling)
概念：将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备。
组成：
- 输入井和输出井：磁盘上开辟的两个存储区
- 输入缓冲区和输出缓冲区：内存上开辟的两个缓冲区
- 预输入进程和缓输出进程
- 井管理程序：控制作业与磁盘井之间信息的交换
特点：
- 提高了I/O速度
- 将独占设备改为共享设备
- 实现了虚拟设备功能
###缓冲区
单缓冲区
CPU和I/O设备串行工作，降低了CPU和I/O设备的利用率。
双缓冲区
先送第一缓冲区，满了送第二缓冲区，这个时候可以把第一缓冲区中的数据送入用户进程让CPU进行计算。
环形缓冲区
- R：装输入数据的空缓冲区
- G：已装满数据的缓冲区
- C：计算进程正在使用的工作缓冲区
使用：Getbuf使用缓冲区C中的数据。计算进程提取完数据后Releasebuf释放缓冲区C
缓冲池
缓冲区：一组内存块的链表 缓冲池：用于管理多个缓冲区
- 空缓冲队列emq。
- 输入队列inq。
- 输出队列outq。
数据的组织格式：磁盘设备包括一个或多个物理盘片，每个盘片有两个存储面，每个盘面上有若干个磁道，磁道间有必要的间隙。
类型：固定头磁盘(主要用于大容量)、移动头磁盘(微机)
磁盘访问时间
磁盘工作时以恒定速率旋转，磁头必须能移动到指定磁道上。
- 寻道时间：磁头移动到指定磁道上的时间
- 旋转延迟时间：指定扇区移动到磁头下面的时间
- 传输时间：数据写入或读出经历的时间
先来先服务
最短寻道时间优先
扫描算法
循环扫描算法