一、前言

I/O系統是OS的重要組成部分，完成使用者提出I/O的請求。

二、I/O系統

I/O軟體的層次結構： （1）使用者層I/O軟體，實現與使用者互動的介面。 （2）裝置獨立性軟體，實現使用者程式與裝置驅動程式的統一介面。 （3）裝置驅動程式，與硬體直接相關，用於具體實現系統對裝置發出的操作命令。 （4）中斷處理程式，使用者儲存cpu環境，轉入相應的中斷處理程式，處理完畢之後再恢復被中斷程序的現場，返回被中斷的程序。 I/O系統中包括I/O系統介面和軟體/硬體介面。I/O系統介面主要用於高層與I/O系統的介面，軟體/硬體介面主要用於中斷處理程式和用於不同裝置的裝置驅動程式。

三、I/O裝置與裝置控制器

3.1裝置

分為塊裝置和字元裝置、獨佔裝置和共享裝置、高速和低速裝置。

裝置與控制器之間的介面，資料訊號線，控制訊號線和狀態訊號線。

3.2裝置控制器

裝置控制器應具有以下功能：接收和識別命令，執行處理器發來的命令；資料交換；標識和識別裝置的狀態；地址識別；資料緩衝區；差錯控制。

裝置控制器組成： （1）裝置控制器與處理機的介面：用於實現cpu與裝置控制器的通訊。 （2）裝置控制器與裝置的介面：裝置控制器可以連線多個裝置。 （3）I/O邏輯：用於實現對裝置的控制。

3.3記憶體映像I/O

驅動程式將抽象I/O命令轉換出一系列具體的命令、引數等資料裝入裝置控制器的相應暫存器，由控制器來執行這些命令。

3.4I/O通道

通道為了減少cpu與I/O裝置的負擔，在主機配置多個外設時，cpu的負擔仍然很重。 通道型別：位元組多路通道、陣列選擇通道、陣列多路選擇通道。

四、中斷結構與處理程式

4.1中斷

       中斷是指cpu對I/O裝置發來的中斷訊號的一種相應。

       陷入是指cpu內部事件所引起的中斷。        中斷向量表，由中斷控制器確定請求中斷的中斷號，根據中斷號尋找中繼向量表，從中取得中斷處理程式的入口地址。        中斷存在優先順序的區別。當多箇中斷源發出中斷時，系統可以採取兩種策略，一種是遮蔽中斷，一種是巢狀中斷。

4.2中斷處理程式

（1）測定是否有未響應的中斷訊號。

（2）保護中斷程序的cpu環境。 （3）轉入相應的裝置處理程式。 （4）中斷處理 （5）恢復cpu現場並退出中斷。

五、裝置驅動程式

（1）將抽象要求轉換為具體要求 （2）對服務請求進行校驗 （3）檢查裝置狀態 （4）傳送必要的引數 （5）啟動I/O裝置 對I/O裝置的控制方式： （1）輪詢可程式設計的I/O方式 （2）使用中斷的可程式設計方式 （3）直接儲存器訪問方式 （4）I/O通道控制方式

六、與裝置無關的I/O軟體

6.1裝置分配的資料結構

（1）裝置控制表
（2）控制器控制表 （3）通道控制表 （4）系統裝置表

6.2獨佔裝置的分配程式

（1）分配裝置（2）分配控制器（3）分配通道

6.3邏輯裝置表

用於進行邏輯裝置名到物理裝置名的對映。包含邏輯裝置名、物理裝置名和裝置驅動程式的入口地址。

七、使用者層I/O軟體

      SPOOLing 系統主要有以下三部分：         (1) 輸入井和輸出井。這是在磁碟上開闢的兩個大儲存空間。輸入井是模擬離線輸入時 的磁碟裝置，用於暫存 I/O 裝置輸入的資料；輸出井是模擬離線輸出時的磁碟，用於暫存用 戶程式的輸出資料。         (2) 輸入緩衝區和輸出緩衝區。為了緩和 CPU 和磁碟之間速度不匹配的矛盾，在記憶體 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裝置送來的 資料，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資料，以後再傳送給輸 出裝置。        (3) 輸入程序 SPi和輸出程序 SPo。這裡利用兩個程序來模擬離線 I/O 時的外圍控制機。 其中，程序 SPi模擬離線輸入時的外圍控制機，將使用者要求的資料從輸入機通過輸入緩衝區 再送到輸入井，當 CPU 需要輸入資料時，直接從輸入井讀入記憶體；程序 SPo模擬離線輸出 時的外圍控制機，把使用者要求輸出的資料先從記憶體送到輸出井，待輸出裝置空閒時，再將 輸出井中的資料經過輸出緩衝區送到輸出裝置上。

八、緩衝區管理

緩衝區的引入 （1）緩和cpu與I/O速度不匹配的矛盾。 （2）減少對cpu的中斷頻率，放寬中斷相應時間的限制。 （3）解決資料粒度不匹配的問題。 （4）提高cpu與I/O裝置的並行度。

迴圈緩衝區： (1)  Getbuf 過程。當計算程序要使用緩衝區中的資料時，可呼叫 Getbuf 過程。該過程 將由指標 Nextg 所指示的緩衝區提供給程序使用，相應地，須把它改為現行工作緩衝區， 並令 Current 指標指向該緩衝區的第一個單元，同 時 將 Nextg 移向下一個 G 緩衝區。類 似 地 ， 每 當 輸入程序要使用空緩衝區來裝入資料時，也呼叫 Getbuf 過程，由該過程將指標 Nexti 所指示的緩衝區提供給輸入程序使用，同時將 Nexti 指標移向下一個 R 緩衝區。  (2) Releasebuf 過程。當計算程序把 C 緩衝區中的資料提取完畢時，便呼叫 Releasebuf 過程，將緩衝區 C 釋放。此時，把該緩衝區由當前(現行)工作緩衝區 C 改為空緩衝區 R。類 似地，當輸入程序把緩衝區裝滿時，也應呼叫 Releasebuf 過程，將該緩衝區釋放，並改為 G 緩衝區。

緩衝區的構成：        (1) 空緩衝佇列 emq。這是由空緩衝區所鏈成的佇列。其隊首指標 F(emq)和隊尾指標 L(emq)分別指向該佇列的首緩衝區和尾緩衝區。         (2) 輸入佇列 inq。這是由裝滿輸入資料的緩衝區所鏈成的佇列。其隊首指標 F(inq)和 隊尾指標 L(inq)分別指向該佇列的首緩衝區和尾緩衝區。         (3) 輸出佇列 outq。這是由裝滿輸出資料的緩衝區所鏈成的佇列。其隊首指標 F(outq)和 隊尾指標 L(outq)分別指向該佇列的首緩衝區和尾緩衝區
緩衝區的使用方式：        (1) 收容輸入。在輸入程序需要輸入資料時，便呼叫 Getbuf(emq)過程，從空緩衝佇列 emq 的隊首摘下一空緩衝區，把它作為收容輸入工作緩衝區 hin。然後，把資料輸入其中， 裝滿後再呼叫 Putbuf(inq，hin)過程，將該緩衝區掛在輸入佇列 inq 上。         (2) 提取輸入。當計算程序需要輸入資料時，呼叫 Getbuf(inq)過程，從輸入佇列 inq 的 隊首取得一個緩衝區，作為提取輸入工作緩衝區(sin)，計算程序從中提取資料。計算程序用 完該資料後，再呼叫 Putbuf(emq，sin)過程，將該緩衝區掛到空緩衝佇列 emq 上。        (3) 收容輸出。當計算程序需要輸出時，呼叫 Getbuf(emq)過程從空緩衝佇列 emq 的隊 首取得一個空緩衝區，作為收容輸出工作緩衝區 hout。當其中裝滿輸出資料後，又呼叫 Putbuf(outq，hout)過程，將該緩衝區掛在 outq 末尾。         (4) 提取輸出。由輸出程序呼叫 Getbuf(outq)過程，從輸出佇列的隊首取得一裝滿輸出 資料的緩衝區，作為提取輸出工作緩衝區 sout。在資料提取完後，再呼叫 Putbuf(emq，sout) 過程，將該緩衝區掛在空緩衝佇列末尾

九、磁碟儲存器

1. 先來先服務(FCFS，First Come First Served) ：先來先服務原則
2. 最短尋道時間優先(SSTF，Shortest Seek Time First) ：下一次尋道是尋找離當前位置距離最短的，會出現飢餓現象。
3. SCAN 演算法：自裡向外然後自外向裡。 
4. 迴圈掃描(CSCAN)演算法 ：到達最外層磁軌時，返回最靠裡的磁軌執行。
5.  NStepSCAN 演算法 ：分為多個長度為N的請求子佇列。
6.  FSCAN 演算法 ：分為兩個請求佇列。