I/O设备及其分类
I/O设备管理是操作系统设计中最凌乱也最具挑战性的部分。由于它包含了很多领域的不同设备以及与设备相关的应用程序，因此很难有一个通用且一致的设计方案。所以在理解设备管理之前，应该先了解具体的I/O设备类型。
计算机系统中的I/O设备按使用特性可分为以下类型：
1) 人机交互类外部设备：用于同计算机用户之间交互的设备，如打印机、显示器、鼠标、键盘等。这类设备数据交换速度相对较慢，通常是以字节为单位进行数据交换。
2) 存储设备：用于存储程序和数据的设备，如磁盘、磁带、光盘等。这类设备用于数据交换，速度较快，通常以多字节组成的块为单位进行数据交换。
3) 网络通信设备：用于与远程设备通信的设备，如各种网络接口、调制解调器等。其速度介于前两类设备之间。网络通信设备在使用和管理上与前两类设备也有很大不同。
I/O(输入/输出)控制方式
设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或处理机之间的数据传送，外围设备和内存之间的输入/输出控制方式有四种，下面分别介绍。
程序直接控制方式
如图5-1(a)所示，计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字的数据。对读入的每个字，CPU需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在I/O控制器的数据寄存器中。在程序直接控制方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低速性，致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成了 CPU资源的极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为在CPU中没有釆用中断机构，使I/O设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。
程序直接控制方式虽然简单易于实现，但是其缺点也是显而易见的，由于cpu和I/O设备只能串行工作，导致CPU的利用率相当低。
中断驱动方式
中断驱动方式的思想是，允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU，使得其向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。如图5-1(b)所示，我们从I/O控制器和CPU两个角度分别来看中断驱动方式的工作过程： 从I/O控制器的角度来看，I/O控制器从CPU接收一个读命令，然后从外围设备读数据。一旦数据读入到该I/O控制器的数据寄存器，便通过控制线给CPU发出一个中断信号，表示数据已准备好，然后等待CPU请求该数据。I/O控制器收到CPU发出的取数据请求后，将数据放到数据总线上，传到CPU的寄存器中。至此，本次I/O操作完成，I/O控制器又可幵始下一次I/O操作。
DMA方式
在中断驱动方式中，I/O设备与内存之间的数据交换必须要经过CPU中的寄存器，所以速度还是受限，而DMA（直接存储器存取）方式的基本思想是在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底“解放” CPU。DMA方式的特点是：
- 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，或者相反。
- 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 DMA控制器的控制下完成的。
通道控制方式
I/O通道是指专门负责输入/输出的处理机。I/O通道方式是DMA方式的发展，它可以进一步减少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，又可以实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。
I/O子系统的层次结构
I/O软件涉及的面非常广，往下与硬件有着密切的联系，往上又与用户直接交互，它与进程管理、存储器管理、文件管理等都存在着一定的联系，即它们都可能需要I/O软件来实现I/O操作。
为了使复杂的I/O软件具有清晰的结构，良好的可移植性和适应性，在I/O软件中普遍釆用了层次式结构，将系统输入/输出功能组织成一系列的层次，每一层都利用其下层提供的服务，完成输入/输出功能中的某些子功能，并屏蔽这些功能实现的细节，向高层提供服务。在层次式结构的I/O软件中，只要层次间的接口不变，对某一层次中的软件的修改都不会引起其下层或高层代码的变更，仅最底层才涉及硬件的具体特性。
I/O子系统概述和I/O调度的概念
I/O子系统概述
由于I/O设备种类繁多，功能和传输速率差异巨大，需要多种方法来进行设备控制。这些方法共同组成了操作系统内核的I/O子系统，它将内核的其他方面从繁重的I/O设备管理中解放出来。I/O核心子系统提供的服务主要有I/O调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机、设备保护和差错处理等
I/O调度概念
I/O调度就是确定-个好的顺序来执行这些I/O请求。应用程序所发布的系统调用的顺序不一定总是最佳选择，所以需要I/o调度来改善系统整体性能，使进程之间公平地共享设备访问，减少I/O完成所需要的平均等待时间。
操作系统开发人员通过为每个设备维护一个请求队列来实现调度。当一个应用程序执行阻塞I/O系统调用时，该请求就加到相应设备的队列上。I/O调度会重新安排队列顺序以改善系统总体效率和应用程序的平均响应时间。
I/O子系统还可以使用主存或磁盘上的存储空间的技术，如缓冲、高速缓冲、假脱机等，来改善计算机效率
高速缓存与缓冲区
磁盘高速缓存(Disk Cache)
操作系统中使用磁盘高速缓存技术来提高磁盘的I/O速度，对高速缓存复制的访问要比原始数据访问更为高效。例如，正在运行的进程的指令既存储在磁盘上，也存储在物理内存上，也被复制到CPU的二级和一级高速缓存中。
不过，磁盘高速缓存技术不同于通常意义下的介于CPU与内存之间的小容量高速存储器，而是指利用内存中的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。因此，磁盘高速缓存在逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块。
高速缓存在内存中分为两种形式：一种是在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁速缓存，大小固定；另一种是把未利用的内存空间作为一个缓沖池，供请求分页系统和磁盘I/O时共享。
缓冲区(Buffer)
在设备管理子系统中，引入缓冲区的目的主要有：
- 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
- 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
- 解决基本数据单元大小（即数据粒度）不匹配的问题。
- 提高CPU和I/O设备之间的并行性。
其实现方法有：
- 釆用硬件缓冲器，但由于成本太高，除一些关键部位外，一般不釆用硬件缓冲器
- 釆用缓冲区（位于内存区域）。
** 高速缓存与缓冲区的对比**
高速缓存是可以保存数据拷贝的高速存储器，访问高速缓存比访问原始数据更高效速度更快。其对比见表5-1。
输入/输出(I/O)设备分配与回收
设备分配概述
设备分配是指根据用户的I/O请求分配所需的设备。分配的总原则是充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙碌，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁。从设备的特性来看，釆用下述三种使用方式的设备分别称为独占设备、共享设备和虚拟设备三类。
1) 独占式使用设备。指在申请设备时，如果设备空闲，就将其独占，不再允许其他进程申请使用，一直等到该设备被释放才允许其他进程申请使用。例如，打印机，在使用它打印时，只能独占式使用，否则在同一张纸上交替打印不同任务的内容，无法正常阅读。
2) 分时式共享使用设备。独占式使用设备时，设备利用率很低，当设备没有独占使用的要求时，可以通过分时共享使用，提高利用率。例如，对磁盘设备的I/O操作，各进程的每次I/O操作请求可以通过分时来交替进行。
3) 以SPOOLing方式使用外部设备。SPOOLing技术是在批处理操作系统时代引入的，即假脱机I/O技术。这种技术用于对设备的操作，实质上就是对I/O操作进行批处理。
设备分配的策略
1) 设备分配原则：设备分配应根据设备特性、用户要求和系统配置情况。分配的总原则既要充分发挥设备的使用效率，又要避免造成进程死锁，还要将用户程序和具体设备隔离开。
2) 设备分配方式：设备分配方式有静态分配和动态分配两种。
静态分配主要用于对独占设备的分配，它在用户作业开始执行前，由系统一次性分配该作业所要求的全部设备、控制器（和通道)。一旦分配后，这些设备、控制器（和通道）就一直为该作业所占用，直到该作业被撤销。静态分配方式不会出现死锁，但设备的使用效率低。因此，静态分配方式弁不符合分配的总原则。
动态分配是在进程执行过程中根据执行需要进行。当进程需要设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，由系统按照事先规定的策略给进程分配所需要的设备、I/O控制器，一旦用完之后，便立即释放。动态分配方式有利于提高设备的利用率，但如果分配算法使用不当，则有可能造成进程死锁。
3) 设备分配算法：常用的动态设备分配算法有先请求先分配、优先级高者优先等。
设备分配的安全性
设备分配的安全性是指设备分配中应防止发生进程死锁。
1) 安全分配方式：每当进程发出I/O请求后便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。这样，一旦进程已经获得某种设备后便阻塞，不能再请求任何资源，而且在它阻塞时也不保持任何资源。i点是设备分配安全；缺点是CPU和I/O设备是串行工作的（对同一进程而言)。
2) 不安全分配方式：进程在发出I/O请求后继续运行，需要时又发出第二个、第三个 I/O请求等。仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，才进入阻塞状态。优点是一个进程可同时操作多个设备，从而使进程推进迅速；缺点是这种设备分配有可能产生死锁。
SPOOLing技术(假脱机技术)
为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性之间的矛盾而引入了脱机输入/输出技术。该 技术是利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。 SPOOLing的意思是外部设备同时联机操作，又称为假脱机输入/输出操作，是操作系统中釆 用的一项将独占设备改造成共享设备的技术。
SPOOLing系统组成如图5-11所示。
输入井和输出井在磁盘上开辟出的两个存储区域。输入井模拟脱机输入时的磁盘，用于收容I/O设备输 入的数据。输出井模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户程序的输出数据。
输入缓冲区和输出缓冲区
在内存中开辟的两个缓冲区。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，以后再传送到输出设备。
输入进程和输出进程
输入进程模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区再 送到输入井。当CPU需要输入数据时，直接将数据从输入井读入内存。输出进程模拟脱机 输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出并，待输出设备空闲时，再 将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备。
共享打印机是使用SPOOLing技术的一个实例，这项技术已被广泛地用于多用户系统和 局域网络中。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该用户进程，而只为它做两件事：
- 由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中。
- 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，再将该表挂到请求打印队列上。
SPOOLing系统的主要特点有：提高了 I/O的速度；将独占设备改造为共享设备；实现 了虚拟设备功能。
输入/输出(I/O)知识点汇总
1) 分配设备。首先根据I/O请求中的物理设备名查找系统设备表（SDT),从中找出该设备的DCT，再根据DCT中的设备状态字段，可知该设备是否正忙。若忙，便将请求I/O 进程的PCB挂在设备队列上；空闲则按照一定算法计算设备分配的安全性，安全则将设备分配给请求进程，否则仍将其PCB挂到设备队列。
2) 分配控制器。系统把设备分配给请求I/O的进程后，再到其DCT中找出与该设备连接的控制器的COCT,从COCT中的状态字段中可知该控制器是否忙碌。若忙，便将请求I/O 进程的PCB挂在该控制器的等待队列上；空闲便将控制器分配给进程。
3) 分配通道。在该COCT中又可找到与该控制器连接的通道的CHCT,再根据CHCT 内的状态信息，可知该通道是否忙碌。若忙，便将请求I/O的进程挂在该通道的等待队列上；空闲便将该通道分配给进程。只有在上述三者都分配成功时，这次设备的分配才算成功。然后，便可启动该I/O设备进行数据传送。
为使独占设备的分配具有更强的灵活性，提高分配的成功率，还可以从以下两方面对基本的设备分配程序加以改进： 增加设备的独立性。进程使用逻辑设备名请求I/O。这样，系统首先从SDT中找出第一个该类设备的DCT。若该设备忙，又查找第二个该类设备的DCT。仅当所有该类设备都忙时，才把进程挂在该类设备的等待队列上；只要有一个该类设备可用，系统便进一步计算分配该设备的安全性。
考虑多通路情况。为防止I/O系统的“瓶颈”现象，通常釆用多通路的I/O系统结构。此时对控制器和通道的分配同样要经过几次反复，即若设备（控制器）所连接的第一个控制器（通道）忙时，应查看其所连接的第二个控制器（通道)，仅当所有的控制器（通道）都忙时，此次的控制器（通道）分配才算失败，才把进程挂在控制器（通道）的等待队列上。而只要有一个控制器（通道）可用，系统便可将它分配给进程。