输入输出系统 I/O软件的层次结构I/O设备和设备控制器中断机构和中断处理程序设备驱动程序与设备无关的I/O软件用户层的 I/O 软件缓冲区管理磁盘存储器的性能和调度
I/O软件的层次结构
通常把 I/O 软件组织成四个层次：
1）用户层 I/O 软件。实现与用户交互的接口，用户可直接调用该层所提供的、与 I/O 操作有关的库函数对设备进行操作。
2）设备独立性软件。用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
3）设备驱动程序。与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动 I/O 设备工作的驱动程序。
4）中断处理程序。CPU 先保护被中断进程的 CPU 环境，再转入相应的的中断处理程序进行处理，处理完毕后 CPU 再恢复被中断进程的现场，返回到被中断的进程。
I/O设备一般是由执行I/O操作的机械部分和执行控制I/O的电子部件组成。通常将这两部分分开，执行I/O操作的机械部分就是一般的I/O设备，而执行控制I/O的电子部件则称为设备控制器或适配器，也常称为控制卡、接口卡或网卡。
中断机构和中断处理程序中断简介
中断在操作系统中有着特殊重要的地位，它是多道程序得以实现的基础，没有中断，就不可能实现多道程序，因为进程之间的切换是通过中断来完成的。另一方面，中断也是设备管理的基础，为了提高处理机的利用率和实现CPU与I/O设备并行执行，也必需有中断的支持。
中断和陷入。1）中断，是指CPU对I/O设备发来的中断信号的响应。由外部设备引起，故又称为外中断。
2）陷入，是由CPU内部事件引起的中断，如程序出错等等，故又称为内中断。
中断和陷入的主要区别是信号的来源，即是来自 CPU 外部，还是 CPU 内部。中断向量表和中断优先级。
1）中断向量表。
通常是为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址放在中断向量表中的一个表项，并为每一个设备的中断请求规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项。当 I/O 设备发来中断请求信号时，由中断控制器确定该请求的中断号，并去查找中断向量表取得设备中断处理程序的入口地址，这样便可转入中断处理程序执行。
2）中断优先级。多个中断信号同时到达时，根据优先级分别先后处理。对多中断源的处理方式。
1）屏蔽(禁止)中断。
类似于关中断，当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有的中断，让它们等待。直到处理机处理完本次中断后，再去检查是否有中断发生。
2）嵌套中断。
CPU 优先响应最高优先级的中断请求。高优先级的中断请求可以抢占正在运行的低优先级中断的处理机。
中断处理程序
中断处理程序是I/O系统中最低的一层，它是整个I/O系统的基础。中断机构的处理过程：
CPU测定是否有未响应的中断信号。程序每当执行完当前指令后，处理机都要测试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。由处理机对各个中断源进行测试，以确定引起本次中断的 I/O 设备，并向提供中断信号的设备发送确认信号。在该设备收到确认信号后，就立即取消它所发出的中断请求信号。然后，将相应的设备中断处理程序的入口地址装入到程序计数器中。这样，当处理机运行时，便可自动地转向中断处理机程序。中断处理。恢复CPU现场并退出中断。设备驱动程序
设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务是接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read或write命令，再把它转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行；反之，它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件。由于驱动程序与硬件密切相关，故通常应为每一类设备配置一种驱动程序。
在多道程序系统中，驱动程序一旦发出 I/O 命令，启动了一个 I/O 操作后，驱动程序便把控制返回给 I/O 系统，把自己阻塞起来，直到中断到来时再被唤醒。具体的 I/O 操作是在设备控制器的控制下进行的，因此，在设备忙于传送数据时，处理机又可以去干其它的事情，实现了处理机与 I/O 设备的并行操作。
对I/O设备的控制方式
使用轮询的可编程I/O方式。处理机对 I/O 设备的控制采取轮询的可编程I/O方式，即在处理机向控制器发出一条 I/O 指令启动输入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志 busy 置为 1，然后便不断地循环测试 busy。当 busy=1 时，表示输入机尚未输完一个字(符)，处理机应继续对该标志进行测试，直至 busy=0，表明输入机已将输入数据送入控制器的数据寄存器中。于是处理机将数据寄存器中的数据取出，送入内存指定单元中，这样便完成了一个字(符)的 I/O。接着再去启动读下一个数据，并置 busy=1。使用中断的可编程I/O方式。
采用中断的可编程I/O方式，即当某进程要启动某个 I/O 设备工作时，便由 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原来的任务。设备控制器于是按照该命令的要求去控制指定 I/O 设备。此时，CPU 与 I/O 设备并行操作。一旦数据进入数据寄存器，控制器便通过控制线向 CPU 发送一中断信号，由 CPU 检查输入过程中是否出错，若无错，便向控制器发送取走数据的信号，然后再通过控制器及数据线将数据写入内存指定单元中。
适用于低速流设备，如键盘，鼠标。直接存储器(DMA)访问方式。
中断驱动 I/O 比程序 I/O 方式更有效，但须注意，它仍是以字(节)为单位进行 I/O 的，每当完成一个字(节)的 I/O 时，控制器便要向 CPU 请求一次中断。换言之，采用中断驱动 I/O 方式时的 CPU 是以字(节)为单位进行干预的。
从而引入直接存储器访问方式，其特点如下：
1）数据传输的基本单位是数据块，即在 CPU 与 I/O 设备之间，每次传送至少一个数据块；
2）所传送的数据是从设备直接送入内存的，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 CPU 干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。I/O通道控制方式。
I/O 通道方式是 DMA 方式的发展，它可进一步减少 CPU 的干预，即把对一个数据块的读(或写)为单位的干预减少为对一组数据块的读(或写)及有关的控制和管理为单位的干预。同时，又可实现 CPU、通道和 I/O 设备三者的并行操作。而通道能与 I/O 设备并行是因为 I/O 通道实际上是一种特殊的处理机，它具有执行 I/O 指令的能力，并通过执行通道 I/O 程序来控制 I/O 操作。增设 I/O 通道的主要目的是为了建立独立的 I/O 操作，或者说是使一些原来由 CPU 处理的 I/O 任务转由通道来承担。 与设备无关的I/O软件
为了方便用户和提高OS的可适应性与可扩展性，在现代OS的I/O系统中，都无一例外地增加了与设备无关的I/O软件，以实现设备独立性，也称为设备无关性。其基本含义是：应用程序中所用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备。这是在设备驱动程序之上设置的一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。
通过在系统配置：①设备控制表 DCT；②控制器控制表 COCT；③通道控制表 CHCT；④系统设备表 SDT；实现都独占设备的分配。
同时，在系统中需要配置一张逻辑设备表 LUT，用于将逻辑设备名映射为物理设备名。
用户层的 I/O 软件一般而言，大部分的 I/O 软件都在操作系统内部，但仍有一小部分在用户层，包括系统调用、与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的假脱机系统等。
假脱机(Spooling)系统
如果说可以通过多道程序技术将一台物理CPU 虚拟为多台逻辑 CPU，从而允许多个用户共享一台主机，那么，通过 SPOOLing 技术便可将一台物理 I/O 设备虚拟为多台逻辑 I/O 设备，同样允许多个用户共享一台物理 I/O设备。
假脱机技术。脱机输入、脱机输出技术。该技术是利用专门的外围控制机，先将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。
事实上，当系统中引入了多道程序技术后，完全可以利用其中的一道程序，来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速 I/O 设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。此时的外围操作与 CPU 对数据的处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为 SPOOLing，或称为假脱机操作。SPOOLing 系统的组成。
1）输入井和输出井。这是在磁盘上开辟的两个存储空间。输入井是模拟脱机输入时的磁盘设备；输出井是模拟脱机输出时的磁盘。
2）输入缓冲区和输出缓冲区。为了缓和 CPU 和磁盘之间速度不匹配的矛盾，在内存中要开辟两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送给输出设备。
3）输入进程和输出进程。输入进程也称为预输入进程，用于模拟脱机输入时的外围控制机。输出进程也称为预输出进程，用于模拟脱机输出时的外围控制机。
4）井管理程序。用于控制作业与磁盘井之间信息的交换。当作业执行过程中向某台设备发出启动输入或输出操作请求时，由操作系统调用井管理程序，由其控制从输入井读取信息或将信息输出至输出井。
SPOOLing系统的特点。
1）提高了I/O的速度。
2）将独占设备改造为共享设备。
3）实现了虚拟设备功能。假脱机打印机系统。
打印机是经常要用到的输出设备，属于独占设备。利用 SPOOLing 技术，可将之改造为一台可供多个用户共享的设备，从而提高设备的利用率。主要有以下三部分：
1）磁盘缓冲区。用于暂存用户程序的输出数据。
2）打印缓冲区。缓和 CPU 和磁盘之间速度不匹配的矛盾，设置在内存中，暂存从磁盘缓冲区送来的数据。
3）假脱机管理进程和假脱机打印进程。由假脱机管理进程为每个要求打印的用户数据建立一个假脱机文件，并把它放入假脱机文件队列中，由假脱机打印进程依次对队列中的文件进行打印。
每当用户进程发出打印输出请求时，由假脱机管理进程完成两项工作：①在磁盘缓冲区中为之申请一个空闲盘块，并将要打印的数据送入其中暂存；②为用户进程申请一张空闲的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到假脱机文件队列上。
真正的打印输出是假脱机打印进程负责的，当打印机空闲时，该进程首先从假脱机文件队列的队首摘取一张请求打印表，然后根据表中的要求将要打印的数据由输出井传送到内存缓冲区，再交付打印机进行打印。守护进程。
除了假脱机打印机系统可以实现打印机共享，也可以为打印机建立一个守护进程。由守护进程执行一部分原来假脱机管理进程实现的功能。另一部分由请求进程自己完成，每个要求打印的进程先生成一份要求打印的文件，然后放入假脱机文件队列中。守护进程是按照目录中的文件依次来完成诸进程对该设备的请求的。 缓冲区管理
在现代操作系统中，几乎所有的I/O设备在与处理机交换数据时都用了缓冲区。
单缓冲区、双缓冲区、环形缓冲区、缓冲池。
改善磁盘系统的性能：
1）选择好的磁盘调度算法，以减少磁盘的寻道时间。
2）提高磁盘 I/O 速度，以提高对文件的访问速度。
3）采取冗余技术，提高磁盘系统的可靠性，建立高度可靠的文件系统。
磁盘性能简述
数据的组织和格式。磁盘设备可包括一个或多个物理盘片，每个磁盘片分一个或两个存储面(Surface)，每个盘面上有若干个磁道(Track)，磁道之间留有必要的间隙(Gap)。为使处理简单起见，在每条磁道上可存储相同数目的二进制位。 这样，磁盘密度即每英寸中所存储的位数，显然是内层磁道的密度较外层磁道的密度高。每条磁道又被逻辑上划分成若干个扇区(sectors)，软盘大约为 8～32 个扇区，硬盘则可多达数百个，图中显示了一个磁道分成 8 个扇区。一个扇区称为一个盘块(或数据块)，常常叫做磁盘扇区。各扇区之间保留一定的间隙。
磁盘上存储的物理记录块数目是由扇区数、磁道数以及磁盘面数所决定的。
为了在磁盘上存储数据，必须先将磁盘低级格式化。下图示出了一种温盘(温切斯特盘)中一条磁道格式化的情况。
其中每条磁道含有 30 个固定大小的扇区，每个扇区容量为 600 个字节，其中 512 个字节存放数据，其余的用于存放控制信息。
每个扇区包括两个字段：
1）标识符字段(ID Field)，其中一个字节的 SYNCH 具有特定的位图像，作为该字段的定界符，利用磁道号(Track)、 磁头号(Head #)及扇区号(Sector #)三者来标识一个扇区；CRC 字段用于段校验。
2）数据字段(Data Field)，其中可存放 512 个字节的数据。
值得强调的是，在磁盘一个盘面的不同磁道(Track)、每个磁道的不同扇区(Sector)，以及每个扇区的不同字段(Filed)之间，为了简化和方便磁头的辨识，都设置了一个到若干个字节不同长度的间距(Gap，也称间隙)。
磁盘格式化完成后，一般要对磁盘分区。
但是，在真正可以使用磁盘前，还需要对磁盘进行一次高级格式化，即设置一个引导块、空闲存储管理、根目录和一个空文件系统，同时在分区表中标记该分区所使用的文件系统。磁盘的类型。
对磁盘，可以从不同的角度进行分类。最常见的有：将磁盘分成硬盘和软盘、单片盘和多片盘、固定头磁盘和活动头(移动头)磁盘等。
1）固定头磁盘。在每条磁道上都有一读/写磁头，所有的磁头都被装在一刚性磁臂中。这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。
2）移动头磁盘。每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。广泛应用于中小型磁盘设备中，在微型机上配置的温盘和软盘都采用移动磁头结构。磁盘访问时间。
1）寻道时间 Ts，这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。
2）旋转延迟时间 Tr，这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。
3）传输时间 Tt，这是指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。
早期的磁盘调度算法
由于在访问磁盘的时间中，主要是寻道时间，因此，磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少。
先来先服务 FCFS。根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。最短寻道时间优先。
该算法选择这样的进程：其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短。但这种算法不能保证平均寻道时间最短。
基于扫描的磁盘调度算法
扫描(SCAN)算法。SSTF算法可能导致优先级低(即不断出现的新进程所要访问的磁道与当前磁头的位置时钟较劲，使原本较远的进程一直得不到满足)的进程发生“饥饿”现象。
扫描算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道间的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向。例如，当磁头正在自里向外移动时，SCAN 算法所考虑的下一个访问对象，应是其欲访问的磁道既在当前磁道之外，又是距离最近的。这样自里向外地访问，直至再无更外的磁道需要访问时，才将磁臂换向为自外向里移动。这时，同样也是每次选择这样的进程来调度，即要访问的磁道在当前位置内且距离最近者。
由于在这种算法中磁头移动的规律颇似电梯的运行，因而又常称之为电梯调度算法。循环扫描(CSCAN)算法。
循环扫描算法是对扫描算法的改进。如果对磁道的访问请求是均匀分布的，当磁头到达磁盘的一端，并反向运动时落在磁头之后的访问请求相对较少。这是由于这些磁道刚被处理，而磁盘另一端的请求密度相当高，且这些访问请求等待的时间较长，为了解决这种情况，循环扫描算法规定磁头单向移动。例如，只自里向外移动，当磁头移到最外的被访问磁道时，磁头立即返回到最里的欲访磁道，即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行扫描。NStepSCAN 和 FSCAN 调度算法。
1）NStepSCAN算法。
在 SSTF、 SCAN 及 CSCAN 几种调度算法中，都可能会出现磁臂停留在某处不动的情况。例如，有一个或几个进程对某一磁道有较高的访问频率，即这个(些)进程反复请求对某一磁道的 I/O 操作，从而垄断了整个磁盘设备。我们把这一现象称为“磁臂粘着”。
NStepSCAN 算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为 N 的子队列，磁盘调度将按 FCFS 算法依次处理这些子队列。而每处理一个队列时又是按 SCAN 算法，对一个队列处理完后，再处理其他队列。当正在处理某子队列时，如果又出现新的磁盘 I/O 请求，便将新请求进程放入其他队列，这样就可避免出现粘着现象。当 N 值取得很大时，会使 N 步扫描法的性能接近于 SCAN 算法的性能；当 N=1 时，N 步 SCAN 算法便蜕化为 FCFS 算法。
2）FSCAN 算法。
FSCAN 算法实质上是 N 步 SCAN 算法的简化，即 FSCAN 只将磁盘请求队列分成两个子队列。一个是由当前所有请求磁盘 I/O 的进程形成的队列，由磁盘调度按 SCAN 算法进行处理。在扫描期间，将新出现的所有请求磁盘 I/O 的进程，放入另一个等待处理的请求队列。这样，所有的新请求都将被推迟到下一次扫描时处理。
继续加油~