I/O系统的组成
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；
I/O软件的层次结构及层功能
用户层软件//产生I/O请求、格式化I/O、Spooling
设备独立性软件//映射、保护、分块、缓冲、分配
设备驱动程序//设置设备寄存器，检查状态
中断处理程序//
硬件//执行I/O操作
设备管理
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
I/O系统的基本功能
###主要功能：
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
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。
提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
错误处理
I/O系统的层次结构
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，并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
I/O软件的分层
用户层软件
实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。
设备独立软件
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
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
中断处理程序
用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的线程后，返回到被中断进程。
I/O软件系统的层次
中断处理程序
处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互
设备驱动程序
处于次底层，是进程和控制器之间的通信程序
功能：将上层发来的抽象I/O请求，转换为对I/O设备的具体命令和参数，转化为对I/O设备具体命令和参数，并把它装入到设备控制其中的命令和参数寄存器中。
设备独立性软件
包括设备命名，设备分配，数据缓冲等软件
I/O 系统接口
块设备
数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备
基本特征是传输率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。
特点
隐藏了磁盘的二维结构，块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况。每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。
将抽象命令映射为底层操作，块设备接口将上层发来的抽象命令，映射为设备能识别的较低层具体操作。
字符设备
数据的存取和传输是以字符为单位的设备，如键盘打印机等。基本特征是传输速率较底、不可寻址常采用中断驱动方式。
get和put操作
由于字符设备是不可寻址的，因而对它只能采用顺序存取方式。获取或输出字符的方式是采用get和put操作
in-control
因字符设备的类型非常多，且差异甚大，系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理他们。
网络通信接口
通过某种方式把计算机链接到网络上
操作系统必须提供相应的网络软件和网络痛心接口。使得计算机能通过网络与网络上其他计算机进行通信。或上网浏览。
I/O通道
I/O通道设备的引入
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预
（如承担了选择设备，数据转换、缓冲等功能）
但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。
在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”
设置通道后
CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。
通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。
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
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
字节多路通道
一个通道常通过多个子通道连接多个设备控制器
多个设备，通过非分配型子通道以字节为单位交叉轮流使用主通道传输自己的数据。
数组选择通道
针对高速设备：分配型子通道
设备利用子通道占用通道后，一段时间内一直独占，直至设备传送完毕释放。
利用率低。
数组多路通道
结合上述两种方式。
含多个非分配型子通道。数据传送则按数组方式进行。
中断
中断和陷入
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。
对多中断源的处理方式
屏蔽（禁止）中断：
所有中断都将按顺序依次处理。
当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有新到的中断，让它们等待，直到处理机已完成本次中断的处理后，处理机再去检查并处理。
优点是简单，但不能用于对实时性要求较高的中断请求。
嵌套中断：
中断优先级：系统根据不同中断信号源，对服务要求的紧急程度的不同，它们分别规定不同的优先级。
当同时有多个不同优先级的中断请求时，CPU优先响应最高优先级的中断请求；
高优先级的中断请求，可以抢占正在运行低优先级中断的处理机，该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度
中断处理程序
主要工作
进行进程上下文的切换
对处理中断信号源进行测试
读取设备状态
修改进程状态
中断处理流程
测定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
中断处理
恢复CPU的现场
设备驱动程序
设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，主要任务是：
接收上层软件发来的抽象I/O要求如read、write等命令
再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。
反方向，它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件
驱动程序的功能
（1）接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转化为与设备相关的低层操作序列
（2）检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与IO设备操作有关的参数，设置设备的工作方式
（3）发出IO命令，如果设备空闲，便立即启动IO设备，完成指定的IO操作，如果设备忙碌则奖请求者挂在设备队列上等待
（4）及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。
设备驱动程序的特点
（1）驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序
（2）驱动程序，与设备控制器和IO设备的硬件特性紧密相关
（3）驱动程序与IO设备所采用的IO控制方式紧密相关。
（4）由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编编写
（5）驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序会在一次调用完成前被再次调用。
设备处理方式
具体分类
（1）为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的IO操作，这种方式比较适合于较大的系统
（2）在整个系统中设置一个IO进程，专门用于执行系统中所有各类设备的IO操作也可以设置一个输入进程合一个输出进程，分别处理系统中的输入和输出操作
（3）不设置专们的设备处理进程而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。
驱动程序处理过程
I/O设备与控制器间的通信转换程序
了解抽象命令，了解控制器内部的寄存器结构
与硬件密切相关，每类设备配备一种驱动程序
功能：接受解释指令（有通道的系统，自动通道程序）、相关判断、发送设备命令、响应中断
特点，控制方式不同程序不同，部分固化进硬件，代码可重入。
IO控制方式
分为
程序IO方式
中断驱动方式
直接存储器访问DMA
IO通道控制方式
宗旨：减少主机对IO控制的干预，将CPU从繁杂的IO控制事务中解脱出来
程序IO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。
中断驱动IO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。
中断方式比程序I/O方式更有效
但仍以字（节）为单位进行I/O，每当完成一个字（节），控制器便要请求一次中断。
CPU虽然可与I/O并行，但效率不高，存在频繁的中断干扰。
改进：
CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O，控制器完成后才发中断，而不是每个字节都要向CPU发中断；
多字节传输入内存过程不需要CPU搬运，由控制器控制完成（所以称直接存储器访问）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入
直接存储器访问DMA方式
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。
DMA控制器的组成
DMA控制器由三部分组成：
主机与DMA控制器的接口；
DMA控制器与块设备的接口；
I/O控制逻辑。
IO通道控制方式
DMA适用于读一个连续的数据块；
如一次读多个数据块到内存不同区域，须由CPU分别发送多条I/O指令、进行多次DMA中断处理。
再进一步减少CPU的干预（减少中断）， 引入通道。
实现对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预。
此时，CPU只需发一条I/O指令，给出通道程序的首地址及要访问设备即可。
CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，提高整系统资源利用率。
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。
独占设备的分配过程
分配设备：
根据请求设备名，查找SDT，找到DCT；
状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞，挂入DCT等待队列中。
分配控制器
通过1步分配设备后，从DCT找到COCT；
检查COCT状态字，若忙碌，进程PCB挂到其等待队列
分配通道
COCT找到CHCT
判断状态，…
当上述三步都通过后，才可启动设备进行数据传输
