輸入輸出系統
I/O軟件的層次結構
通常把 I/O 軟件組織成四個層次：
1）用戶層 I/O 軟件。實現與用戶交互的接口，用戶可直接調用該層所提供的、與 I/O 操作有關的庫函數對設備進行操作。
2）設備獨立性軟件。用於實現用戶程序與設備驅動器的統一接口、設備命名、設備的保護以及設備的分配與釋放等，同時爲設備管理和數據傳送提供必要的存儲空間。
3）設備驅動程序。與硬件直接相關，用於具體實現系統對設備發出的操作指令，驅動 I/O 設備工作的驅動程序。
4）中斷處理程序。CPU 先保護被中斷進程的 CPU 環境，再轉入相應的的中斷處理程序進行處理，處理完畢後 CPU 再恢復被中斷進程的現場，返回到被中斷的進程。
I/O設備和設備控制器
I/O設備一般是由執行I/O操作的機械部分和執行控制I/O的電子部件組成。通常將這兩部分分開，執行I/O操作的機械部分就是一般的I/O設備，而執行控制I/O的電子部件則稱爲設備控制器或適配器，也常稱爲控制卡、接口卡或網卡。
中斷機構和中斷處理程序
中斷簡介
中斷在操作系統中有着特殊重要的地位，它是多道程序得以實現的基礎，沒有中斷，就不可能實現多道程序，因爲進程之間的切換是通過中斷來完成的。另一方面，中斷也是設備管理的基礎，爲了提高處理機的利用率和實現CPU與I/O設備並行執行，也必需有中斷的支持。
- 中斷和陷入。
1）中斷，是指CPU對I/O設備發來的中斷信號的響應。由外部設備引起，故又稱爲外中斷。
2）陷入，是由CPU內部事件引起的中斷，如程序出錯等等，故又稱爲內中斷。
中斷和陷入的主要區別是信號的來源，即是來自 CPU 外部，還是 CPU 內部。 - 中斷向量表和中斷優先級。
1）中斷向量表。
通常是爲每種設備配以相應的中斷處理程序，並把該程序的入口地址放在中斷向量表中的一個表項，併爲每一個設備的中斷請求規定一箇中斷號，它直接對應於中斷向量表的一個表項。當 I/O 設備發來中斷請求信號時，由中斷控制器確定該請求的中斷號，並去查找中斷向量表取得設備中斷處理程序的入口地址，這樣便可轉入中斷處理程序執行。
2）中斷優先級。多箇中斷信號同時到達時，根據優先級分別先後處理。 - 對多中斷源的處理方式。
1）屏蔽(禁止)中斷。
類似於關中斷，當處理機正在處理一箇中斷時，將屏蔽掉所有的中斷，讓它們等待。直到處理機處理完本次中斷後，再去檢查是否有中斷髮生。
2）嵌套中斷。
CPU 優先響應最高優先級的中斷請求。高優先級的中斷請求可以搶佔正在運行的低優先級中斷的處理機。
中斷處理程序
中斷處理程序是I/O系統中最低的一層，它是整個I/O系統的基礎。中斷機構的處理過程：
- CPU測定是否有未響應的中斷信號。程序每當執行完當前指令後，處理機都要測試是否有未響應的中斷信號。
- 保護被中斷進程的CPU環境。
- 轉入相應的設備處理程序。由處理機對各個中斷源進行測試，以確定引起本次中斷的 I/O 設備，並向提供中斷信號的設備發送確認信號。在該設備收到確認信號後，就立即取消它所發出的中斷請求信號。然後，將相應的設備中斷處理程序的入口地址裝入到程序計數器中。這樣，當處理機運行時，便可自動地轉向中斷處理機程序。
- 中斷處理。
- 恢復CPU現場並退出中斷。
設備驅動程序
設備處理程序通常又稱爲設備驅動程序，它是I/O系統的高層與設備控制器之間的通信程序，其主要任務是接收上層軟件發來的抽象I/O要求，如read或write命令，再把它轉換爲具體要求後，發送給設備控制器，啓動設備去執行；反之，它也將由設備控制器發來的信號傳送給上層軟件。由於驅動程序與硬件密切相關，故通常應爲每一類設備配置一種驅動程序。
在多道程序系統中，驅動程序一旦發出 I/O 命令，啓動了一個 I/O 操作後，驅動程序便把控制返回給 I/O 系統，把自己阻塞起來，直到中斷到來時再被喚醒。具體的 I/O 操作是在設備控制器的控制下進行的，因此，在設備忙於傳送數據時，處理機又可以去幹其它的事情，實現了處理機與 I/O 設備的並行操作。
對I/O設備的控制方式
- 使用輪詢的可編程I/O方式。
處理機對 I/O 設備的控制採取輪詢的可編程I/O方式，即在處理機向控制器發出一條 I/O 指令啓動輸入設備輸入數據時，要同時把狀態寄存器中的忙/閒標誌 busy 置爲 1，然後便不斷地循環測試 busy。當 busy=1 時，表示輸入機尚未輸完一個字(符)，處理機應繼續對該標誌進行測試，直至 busy=0，表明輸入機已將輸入數據送入控制器的數據寄存器中。於是處理機將數據寄存器中的數據取出，送入內存指定單元中，這樣便完成了一個字(符)的 I/O。接着再去啓動讀下一個數據，並置 busy=1。 - 使用中斷的可編程I/O方式。
採用中斷的可編程I/O方式，即當某進程要啓動某個 I/O 設備工作時，便由 CPU 向相應的設備控制器發出一條 I/O 命令，然後立即返回繼續執行原來的任務。設備控制器於是按照該命令的要求去控制指定 I/O 設備。此時，CPU 與 I/O 設備並行操作。一旦數據進入數據寄存器，控制器便通過控制線向 CPU 發送一中斷信號，由 CPU 檢查輸入過程中是否出錯，若無錯，便向控制器發送取走數據的信號，然後再通過控制器及數據線將數據寫入內存指定單元中。
適用於低速流設備，如鍵盤，鼠標。 - 直接存儲器(DMA)訪問方式。
中斷驅動 I/O 比程序 I/O 方式更有效，但須注意，它仍是以字(節)爲單位進行 I/O 的，每當完成一個字(節)的 I/O 時，控制器便要向 CPU 請求一次中斷。換言之，採用中斷驅動 I/O 方式時的 CPU 是以字(節)爲單位進行干預的。
從而引入直接存儲器訪問方式，其特點如下：
1）數據傳輸的基本單位是數據塊，即在 CPU 與 I/O 設備之間，每次傳送至少一個數據塊；
2）所傳送的數據是從設備直接送入內存的，或者相反；
3）僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需 CPU 干預，整塊數據的傳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 方式的發展，它可進一步減少 CPU 的干預，即把對一個數據塊的讀(或寫)爲單位的干預減少爲對一組數據塊的讀(或寫)及有關的控制和管理爲單位的干預。同時，又可實現 CPU、通道和 I/O 設備三者的並行操作。而通道能與 I/O 設備並行是因爲 I/O 通道實際上是一種特殊的處理機，它具有執行 I/O 指令的能力，並通過執行通道 I/O 程序來控制 I/O 操作。增設 I/O 通道的主要目的是爲了建立獨立的 I/O 操作，或者說是使一些原來由 CPU 處理的 I/O 任務轉由通道來承擔。
與設備無關的I/O軟件
爲了方便用戶和提高OS的可適應性與可擴展性，在現代OS的I/O系統中，都無一例外地增加了與設備無關的I/O軟件，以實現設備獨立性，也稱爲設備無關性。其基本含義是：應用程序中所用的設備，不侷限於使用某個具體的物理設備。這是在設備驅動程序之上設置的一層軟件，稱爲與設備無關的I/O軟件，或設備獨立性軟件。
通過在系統配置：①設備控制表 DCT；②控制器控制表 COCT；③通道控制表 CHCT；④系統設備表 SDT；實現都獨佔設備的分配。
同時，在系統中需要配置一張邏輯設備表 LUT，用於將邏輯設備名映射爲物理設備名。
用戶層的 I/O 軟件
一般而言，大部分的 I/O 軟件都在操作系統內部，但仍有一小部分在用戶層，包括系統調用、與用戶程序鏈接在一起的庫函數，以及完全運行於內核之外的假脫機系統等。
假脫機(Spooling)系統
如果說可以通過多道程序技術將一臺物理CPU 虛擬爲多臺邏輯 CPU，從而允許多個用戶共享一臺主機，那麼，通過 SPOOLing 技術便可將一臺物理 I/O 設備虛擬爲多臺邏輯 I/O 設備，同樣允許多個用戶共享一臺物理 I/O設備。
- 假脫機技術。
脫機輸入、脫機輸出技術。該技術是利用專門的外圍控制機，先將低速I/O設備上的數據傳送到高速磁盤上，或者相反。
事實上，當系統中引入了多道程序技術後，完全可以利用其中的一道程序，來模擬脫機輸入時的外圍控制機功能，把低速 I/O 設備上的數據傳送到高速磁盤上；再用另一道程序來模擬脫機輸出時外圍控制機的功能，把數據從磁盤傳送到低速輸出設備上。這樣，便可在主機的直接控制下，實現脫機輸入、輸出功能。此時的外圍操作與 CPU 對數據的處理同時進行，我們把這種在聯機情況下實現的同時外圍操作稱爲 SPOOLing，或稱爲假脫機操作。 - SPOOLing 系統的組成。
1）輸入井和輸出井。這是在磁盤上開闢的兩個存儲空間。輸入井是模擬脫機輸入時的磁盤設備；輸出井是模擬脫機輸出時的磁盤。
2）輸入緩衝區和輸出緩衝區。爲了緩和 CPU 和磁盤之間速度不匹配的矛盾，在內存中要開闢兩個緩衝區：輸入緩衝區和輸出緩衝區。輸入緩衝區用於暫存由輸入設備送來的數據，以後再傳送到輸入井。輸出緩衝區用於暫存從輸出井送來的數據，以後再傳送給輸出設備。
3）輸入進程和輸出進程。輸入進程也稱爲預輸入進程，用於模擬脫機輸入時的外圍控制機。輸出進程也稱爲預輸出進程，用於模擬脫機輸出時的外圍控制機。
4）井管理程序。用於控製作業與磁盤井之間信息的交換。當作業執行過程中向某臺設備發出啓動輸入或輸出操作請求時，由操作系統調用井管理程序，由其控制從輸入井讀取信息或將信息輸出至輸出井。
- SPOOLing系統的特點。
1）提高了I/O的速度。
2）將獨佔設備改造爲共享設備。
3）實現了虛擬設備功能。 - 假脫機打印機系統。
打印機是經常要用到的輸出設備，屬於獨佔設備。利用 SPOOLing 技術，可將之改造爲一臺可供多個用戶共享的設備，從而提高設備的利用率。主要有以下三部分：
1）磁盤緩衝區。用於暫存用戶程序的輸出數據。
2）打印緩衝區。緩和 CPU 和磁盤之間速度不匹配的矛盾，設置在內存中，暫存從磁盤緩衝區送來的數據。
3）假脫機管理進程和假脫機打印進程。由假脫機管理進程爲每個要求打印的用戶數據建立一個假脫機文件，並把它放入假脫機文件隊列中，由假脫機打印進程依次對隊列中的文件進行打印。
每當用戶進程發出打印輸出請求時，由假脫機管理進程完成兩項工作：①在磁盤緩衝區中爲之申請一個空閒盤塊，並將要打印的數據送入其中暫存；②爲用戶進程申請一張空閒的用戶請求打印表，並將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到假脫機文件隊列上。
真正的打印輸出是假脫機打印進程負責的，當打印機空閒時，該進程首先從假脫機文件隊列的隊首摘取一張請求打印表，然後根據表中的要求將要打印的數據由輸出井傳送到內存緩衝區，再交付打印機進行打印。 - 守護進程。
除了假脫機打印機系統可以實現打印機共享，也可以爲打印機建立一個守護進程。由守護進程執行一部分原來假脫機管理進程實現的功能。另一部分由請求進程自己完成，每個要求打印的進程先生成一份要求打印的文件，然後放入假脫機文件隊列中。守護進程是按照目錄中的文件依次來完成諸進程對該設備的請求的。
緩衝區管理
在現代操作系統中，幾乎所有的I/O設備在與處理機交換數據時都用了緩衝區。
單緩衝區、雙緩衝區、環形緩衝區、緩衝池。
磁盤存儲器的性能和調度
改善磁盤系統的性能：
1）選擇好的磁盤調度算法，以減少磁盤的尋道時間。
2）提高磁盤 I/O 速度，以提高對文件的訪問速度。
3）採取冗餘技術，提高磁盤系統的可靠性，建立高度可靠的文件系統。
磁盤性能簡述
- 數據的組織和格式。
磁盤設備可包括一個或多個物理盤片，每個磁盤片分一個或兩個存儲面(Surface)，每個盤面上有若干個磁道(Track)，磁道之間留有必要的間隙(Gap)。爲使處理簡單起見，在每條磁道上可存儲相同數目的二進制位。 這樣，磁盤密度即每英寸中所存儲的位數，顯然是內層磁道的密度較外層磁道的密度高。每條磁道又被邏輯上劃分成若干個扇區(sectors)，軟盤大約爲 8～32 個扇區，硬盤則可多達數百個，圖中顯示了一個磁道分成 8 個扇區。一個扇區稱爲一個盤塊(或數據塊)，常常叫做磁盤扇區。各扇區之間保留一定的間隙。
磁盤上存儲的物理記錄塊數目是由扇區數、磁道數以及磁盤面數所決定的。
爲了在磁盤上存儲數據，必須先將磁盤低級格式化。下圖示出了一種溫盤(溫切斯特盤)中一條磁道格式化的情況。
其中每條磁道含有 30 個固定大小的扇區，每個扇區容量爲 600 個字節，其中 512 個字節存放數據，其餘的用於存放控制信息。
每個扇區包括兩個字段：
1）標識符字段(ID Field)，其中一個字節的 SYNCH 具有特定的位圖像，作爲該字段的定界符，利用磁道號(Track)、 磁頭號(Head #)及扇區號(Sector #)三者來標識一個扇區；CRC 字段用於段校驗。
2）數據字段(Data Field)，其中可存放 512 個字節的數據。
值得強調的是，在磁盤一個盤面的不同磁道(Track)、每個磁道的不同扇區(Sector)，以及每個扇區的不同字段(Filed)之間，爲了簡化和方便磁頭的辨識，都設置了一個到若干個字節不同長度的間距(Gap，也稱間隙)。
磁盤格式化完成後，一般要對磁盤分區。
但是，在真正可以使用磁盤前，還需要對磁盤進行一次高級格式化，即設置一個引導塊、空閒存儲管理、根目錄和一個空文件系統，同時在分區表中標記該分區所使用的文件系統。 - 磁盤的類型。
對磁盤，可以從不同的角度進行分類。最常見的有：將磁盤分成硬盤和軟盤、單片盤和多片盤、固定頭磁盤和活動頭(移動頭)磁盤等。
1）固定頭磁盤。在每條磁道上都有一讀/寫磁頭，所有的磁頭都被裝在一剛性磁臂中。這種結構的磁盤主要用於大容量磁盤上。
2）移動頭磁盤。每一個盤面僅配有一個磁頭，也被裝入磁臂中。爲能訪問該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動以進行尋道。廣泛應用於中小型磁盤設備中，在微型機上配置的溫盤和軟盤都採用移動磁頭結構。 - 磁盤訪問時間。
1）尋道時間 Ts，這是指把磁臂(磁頭)移動到指定磁道上所經歷的時間。
2）旋轉延遲時間 Tr，這是指定扇區移動到磁頭下面所經歷的時間。
3）傳輸時間 Tt，這是指把數據從磁盤讀出或向磁盤寫入數據所經歷的時間。
早期的磁盤調度算法
由於在訪問磁盤的時間中，主要是尋道時間，因此，磁盤調度的目標是使磁盤的平均尋道時間最少。
- 先來先服務 FCFS。
根據進程請求訪問磁盤的先後次序進行調度。 - 最短尋道時間優先。
該算法選擇這樣的進程：其要求訪問的磁道與當前磁頭所在的磁道距離最近，以使每次的尋道時間最短。但這種算法不能保證平均尋道時間最短。
基於掃描的磁盤調度算法
- 掃描(SCAN)算法。
SSTF算法可能導致優先級低(即不斷出現的新進程所要訪問的磁道與當前磁頭的位置時鐘較勁，使原本較遠的進程一直得不到滿足)的進程發生“飢餓”現象。
掃描算法不僅考慮到欲訪問的磁道與當前磁道間的距離，更優先考慮的是磁頭當前的移動方向。例如，當磁頭正在自裏向外移動時，SCAN 算法所考慮的下一個訪問對象，應是其欲訪問的磁道既在當前磁道之外，又是距離最近的。這樣自裏向外地訪問，直至再無更外的磁道需要訪問時，纔將磁臂換向爲自外向裏移動。這時，同樣也是每次選擇這樣的進程來調度，即要訪問的磁道在當前位置內且距離最近者。
由於在這種算法中磁頭移動的規律頗似電梯的運行，因而又常稱之爲電梯調度算法。 - 循環掃描(CSCAN)算法。
循環掃描算法是對掃描算法的改進。如果對磁道的訪問請求是均勻分佈的，當磁頭到達磁盤的一端，並反向運動時落在磁頭之後的訪問請求相對較少。這是由於這些磁道剛被處理，而磁盤另一端的請求密度相當高，且這些訪問請求等待的時間較長，爲了解決這種情況，循環掃描算法規定磁頭單向移動。例如，只自裏向外移動，當磁頭移到最外的被訪問磁道時，磁頭立即返回到最裏的欲訪磁道，即將最小磁道號緊接着最大磁道號構成循環，進行掃描。 - NStepSCAN 和 FSCAN 調度算法。
1）NStepSCAN算法。
在 SSTF、 SCAN 及 CSCAN 幾種調度算法中，都可能會出現磁臂停留在某處不動的情況。例如，有一個或幾個進程對某一磁道有較高的訪問頻率，即這個(些)進程反覆請求對某一磁道的 I/O 操作，從而壟斷了整個磁盤設備。我們把這一現象稱爲“磁臂粘着”。
NStepSCAN 算法是將磁盤請求隊列分成若干個長度爲 N 的子隊列，磁盤調度將按 FCFS 算法依次處理這些子隊列。而每處理一個隊列時又是按 SCAN 算法，對一個隊列處理完後，再處理其他隊列。當正在處理某子隊列時，如果又出現新的磁盤 I/O 請求，便將新請求進程放入其他隊列，這樣就可避免出現粘着現象。當 N 值取得很大時，會使 N 步掃描法的性能接近於 SCAN 算法的性能；當 N=1 時，N 步 SCAN 算法便蛻化爲 FCFS 算法。
2）FSCAN 算法。
FSCAN 算法實質上是 N 步 SCAN 算法的簡化，即 FSCAN 只將磁盤請求隊列分成兩個子隊列。一個是由當前所有請求磁盤 I/O 的進程形成的隊列，由磁盤調度按 SCAN 算法進行處理。在掃描期間，將新出現的所有請求磁盤 I/O 的進程，放入另一個等待處理的請求隊列。這樣，所有的新請求都將被推遲到下一次掃描時處理。
繼續加油~