1.I/O系统组成
包括：
需要用于输入、输出和存储信息的设备；
需要相应的设备控制器；
控制器与CPU连接的高速总线；
有的大中型计算机系统，配置I/O通道；
管理对象：I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
基本任务：完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。为更高层进程方便使用设备提供手段
1. I/O系统的基本功能及模型
1)主要功能：
1.隐藏物理设备细节，方便用户
用户使用抽象的I/O命令即可
2.实现设备无关性，方便用户
用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。
3.提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
4.对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
5.确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
6.错误处理
2)I/O/系统的层次结构和模型
层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次
层间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。
1）I/O设备的类型
I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下：
按传输速率分类：低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）
使用：存储设备、输入输出设备
按信息交换的单位分类：
块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
3）I/O通道
主要目的：
建立更独立的I/O操作，解放CPU。
数据传送的独立
I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。
实际上I/O通道是一种特殊的处理机：
指令类型单一，只用于I/O操作；
通道没有内存，它与CPU共享内存
②通道类型
根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型：字节多路通道、数组选择通道、数组多路通道
中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。
陷入：由CPU内部事件所引起的中断，通常把这类中断称为内中断或陷入（trap）。
中断和陷入的主要区别：是信号的来源。
5. I/O控制方式
程序I/O方式
中断驱动I/O方式
直接存储器访问DMA（字节—块）
I/O通道控制方式（组织传送的独立）
宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。
1）程序I/O方式
cpu对I/O设备的控制采取程序I/O方式，或称忙—等待方式
向控制器发送一条I/O指令；启动输入设备输入数据；把状态寄存器busy=1。
然后不断测试标志。为1：表示输入机尚未输完一个字，CPU继续对该标志测试；直到为0：数据已输入控制器数据寄存器中。
CPU取控制器中的数据送入内存单元，完成一个字的I/O 。
高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。
2）中断驱动I/O方式
CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令
然后立即返回继续执行任务。
设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。
这时CPU与I/O设备并行操作。
I/O设备输入数据中，无需CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。
3）直接存储器访问DMA 方式
①该方式的特点是：数据传输的基本单位是数据块；所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不需要CPU操作。CPU干预进一步减少：仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
可见DMA方式又是成百倍的减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。
设备独立性的基本含义：
指应用程序中所使用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备，也称为设备无关性。
为了实现设备独立性，在设备驱动程序之上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。
设备无关的软件是I/O系统最高层软件，但它和其下的设备驱动程序之间的界限，将随操作系统和设备的不同而有所差异。
好处：
1.设备分配时的灵活性
3个物理设备（如打印机），程序中申请一台打印机，执行时不拘泥必须是某台（如第2个）打印机
2.易于实现I/O重定向
指用于I/O操作的设备可以更换（重定向），而不必改变应用程序。 程序调试、运行中的“打印”，可通过修改逻辑设备表的显示终端，实现不同时候的不同的设备使用。
6.用户层的I/O软件
1)系统调用与库函数
2）设备分配中的虚拟技术—— SPOOLing技术
假脱机技术
多道程序技术，专门利用程序模拟脱机I/O的外围机，完成设备I/O操作。
称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术（Simultaneaus Periphernal Operating On—Line，或称为假脱机操作）
一般进程对独占设备的需求被假脱机模拟到磁盘上。所以实现设备虚拟，多道是前提，还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。
SPOOLing系统的组成
主要有三大部分（如下页图）
1.输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。
2.输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。
3.输入进程和输出进程。
用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上；
用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。
SPOOLing系统的组成
SPOOLing技术的使用:
当用户进程请求打印输出时,SPOOLing系统同意为它打印输出,但并不真正立即把打印机分配给用户进程,而只为它做两件事:
①由输出进程在输出井中为之请求一个空闲磁盘块区,并将要打印的数据送入其中.
②输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表,并将用户的打印要求填入其中,再将该表挂在请求打印队列上.
SPOOLing系统的特点
1.提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
2.将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。
3.最终，实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。
缓冲管理
I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率；
缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O设备的并行性，提高利用率。
现代OS中，几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时，都用了缓冲区。
引入缓冲区的主要原因：
缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率
最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。
使用缓冲区的方式：
1）单缓冲、多缓冲
2）循环缓冲
3）缓冲池（Buffer Pool）
访问磁盘过程
对磁盘的访问总是由缺页引起的：
CPU给出地址，需要访问某存储单元；
并行进行TLB查找和cache查找；
TLB查找后申明没有找到；
停止并行查找，并通知操作系统处理；
操作系统检查页表，发现该页不在内存中，需要从硬盘调入。
下一步，操作系统继续申请总线（如果还保持总线控制权，则不必申请）。
得到授权后，向磁盘发出读命令。
然后，磁盘识别地址，并转换为相应的地址段。
寻道，将读/写头移动到指定位置。
从指定扇区中读去数据，并进行校验。
磁盘申请I/O总线。
得到授权后，将数据通过总线送到内存。
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