一、I/O设备的概念和分类

        I/O即为 输入/输出（input / output）

        I/O设备：将数据输入/数据计算机的设备

        ①使用特性分类：人机交互类设备、存储设备、网络通信设备

        ②按传输速率分类：低速(键鼠)、中速(打印机)、高速(移动硬盘)

        ③按信息交换单位分类：块设备(移动硬盘)、字符设备(键鼠)

二、I/O控制器

        作为CPU和I/O设备机械部件之间的中介，用于实现CPU对I/O设备的控制。

        1.I/O控制器的主要功能

                ①接收和识别CPU发出的命令：I/O控制器中有控制寄存器用于存放命令和参数

                ②向CPU报告设备的状态：I/O控制器中有状态寄存器用于记录I/O设备当前状态

                ③数据交换：I/O控制器中有数据寄存器用于暂存CPU和I/O设备之间的数据

                ④地址识别：CPU控制不同寄存器

        2.I/O控制器的组成

                ①CPU与控制器的接口  ②I/O逻辑  ③控制器与设备接口

                         一个I/O控制器可能对应多个设备；寄存器可能存在多个，为了便于CPU操作，系统会才去以下方法对其编址：①内存映像I/O  ②寄存器独立编址

         3.I/O控制方式

                ①程序直接控制方式

                        Ⅰ在等待I/O完成的过程中，CPU需要不断地轮询检查（会频繁占用CPU）

                        Ⅱ每次读/写都是一个字

                        Ⅲ数据会先经过CPU再写入内存/输出I/O设备

                        Ⅳ优点：实现简单

                            缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙碌状态，CPU利用率低

                ②中断驱动方式

                        ⅠCPU会在每个指令末尾检测中断，每次中断会读入一个字的数据

                        Ⅱ中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境（需要一定开销，频繁中断会降低系统性能）

                        Ⅲ数据会先经过CPU再写入内存/输出I/O设备

                        Ⅳ优点：CPU不再需要轮询，CPU可以与I/O设备并行工作，提升了CPU的利用率

                            缺点：每次仅能传送一个字，频繁中断会降低系统性能

                ③DMA方式

                         DMA：直接存储器存取，做出了以下改进

                                Ⅰ数据传输单位变为了块（一次只能读取连续的块）

                                Ⅱ数据不再需要先经过CPU而是直接写入内存/输出设备

                                Ⅲ进一步降低CPU干预率

                        优点：进一步提升了数据传输效率，降低了CPU介入率

                        缺点：CPU每次发出一条I/O指令只能读/写一个/连续多个数据块

                         DMA控制器：

                ④通道控制方式

                        通道：一种硬件，可以识别和执行一系列的通道指令

                         通道仅能识别一些单一的指令，且与CPU共享内存

                         ⅠCPU占用率极低

                        Ⅱ每次读/写一组数据块

                        Ⅲ数据不再需要先经过CPU而是直接写入内存/输出设备

                        Ⅳ优点：CPU、通道、I/O可以并行工作，系统资源利用率高

                           缺点：实现复杂，需要专门的硬件支持

三、I/O层次

        1.软件层次

        2.I/O核心子系统

                ①I/O调度

                        用某种算法确定一个顺序来处理I/O请求，于设备独立性软件层实现

                                如先来先服务算法、优先级算法、短作业优先算法等

                ②设备保护

                        设备有时被视为特殊的文件，以文件保护的方式为其提供访问权限控制。于设备独立性软件层实现

                ③假脱机技术

                        SPOOLing技术，实际是由软件模拟脱机技术，于用户层软件实现 。

                         系统会建立输入井和输出井用以存放数据，同时以一个输入进程和一个输出进程来模拟外围控制机。

                ④设备分配与回收

                        于设备独立性软件层实现

                        1.设备分配时考虑的因素：

                                设备的固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备

                                设备分配算法：略

                                设备分配中的安全性：安全分配方式（占用时会阻塞，所以不会导致死锁；但是会导致CPU和I/O设备只能串行工作）     不安全分配方式（进程不会被阻塞，会提升资源利用率，但是可能导致死锁）

                        2.设备分配方式

                                静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源

                                        破坏了请求和保持条件，不会产生死锁

                                动态分配：进程运行过程中动态的申请资源

                        3.分配管理中的数据结构

                                 设备控制表（DCT）：每个设备一张，用于记录设备情况，包含以下字段：设备类型、设备标识符（物理设备名）、设备状态、指向控制器的指针、重复执行次数或时间（重复执行多次后不成功才能认定此次I/O失败）、设备队列的队首指针（用于指向此时正在等待此设备的进程队列）

                                控制器控制表（COCT）：每个控制器配置一张，操作系统通过此表的信息对控制器进行管理，包含以下字段：控制器标识符（唯一ID）、控制器状态、指向通道表的指针（由此指针找到更多通道信息）、控制器队列的队首指针、控制器队列的队尾指针（指向正在等待该控制器的进程队列）

                                通道控制表（CHCT）：每个通道对应一张，操作系统通过此表的信息对通道进行管理，包含以下字段：通道标识符（唯一ID）、通道状态、与通道连接的控制器表首地址、通道队列的队首指针、通道队列的队尾指针

                                系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况

                         4.设备分配的具体步骤

                                ①根据物理设备名查找SDT

                                ②根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程挂到等待队列上；不忙碌则直接分配

                                ③根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程挂到等待队列上；不忙碌则直接分配

                                缺点：编程时需要使用物理设备名；若更换了物理设备程序将无法运行；即使有同类型的设备空闲进程依旧会被阻塞（指定一个）

                                改进：建立逻辑设备名与物理设备名之间的映射（在操作系统中建立逻辑设备表LUT）

                ⑤缓冲区管理

                        于设备独立性软件层实现

                        缓冲区可以由专门的硬件缓冲区构成（速度快、成本高、容量小），也可以由内存充当缓冲区（需要软件对其进行管理）

                        作用：1.缓和CPU与I/O设备之间不匹配的矛盾

                                    2.减少对CPU的中断频率

                                    3.解决数据粒度不匹配的问题（如产生块输出字）

                                    4.提高CPU和I/O之间的并行性

                         分类：

                                1.单缓冲：操作系统在主存中为其分配一个缓冲区。缓冲区非空时，不能充入数据，只能传出数据；缓冲区为空时可以充入数据，但是必须充满后才能传出数据。

                                 2.双缓冲：系统为其在主存中分配两个缓冲区，适用于用户进程连续从设备读取若干数据。

                                3.循环缓冲区：将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环缓冲区。

                                 4.缓冲池：由系统中共用的缓冲区组成，按使用情况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）、装满输出数据的缓冲队列（输出队列）

                                        同时根据缓冲区的实际使用情况可以分为：用于收容输入数据的工作缓冲区(hin)、用于提取输出数据的工作缓冲区(sin)、用于收容输出数据的工作缓冲区(out)、用于提取输出数据的工作缓冲区(sout)

                                         缓冲池工作时，会从队列中取出合适的缓冲区，将其装载到缓冲池中，完成工作后再放回合适的队列中。