輸入/輸出（I/O）管理
- 一、I/O管理概述
- 1.1 I/O設備
- 1.2 I/O控制方式
- 1.3 I/O子系統的層次結構
- 二、I/O核心子系統
- 2.1 I/O子系統概述
- 2.2 I/O調度概念
- 2.3 高速快取與緩沖區
- 2.4 設備分配與回收
- 2.5 SPOOLing技術（假脫機技術）
一、I/O管理概述
1.1 I/O設備
I/O設備型別多種多樣，導致I/O設備管理成為作業系統管理最凌亂也最具有挑戰性的一部分，
按使用特性可分為
1）人機互動類外部設備，用于計算機與用戶之間的互動設備，如鍵盤和顯示屏，
2）存盤設備，用戶存盤資料的設備，如磁盤、U盤，
3）網路通信設備，與遠程設備通信的設備，如各自網路介面、調制解調器等，
- 按傳輸速率
1）低速設備，每秒幾位元組到百位元組，如鍵盤、滑鼠等，
2）中速設備，幾千到幾萬位元組的設備，如列印機、顯示幕等，
3）高速設備，數十萬到千兆位元組的設備，如磁盤，- 按資訊交換的單位分類
1）塊設備，資料存取以資料塊為單位，如磁盤，
2）字符設備，以字符為基本單位，如列印機，
1.2 I/O控制方式
- 程式直接控制方式
用顯示的程式來控制資料的讀寫，
實作簡單，但是CPU要和不在一個數量級的I/O并行操作，導致CPU利用率很低，- 中斷驅動方式
運行I/O設備可以通過中斷主動打斷CPU，CPU給I/O設備控制器發送命令之后，其它時間就讓CPU去忙，
問題在于資料中的每個字在存盤器與I/O控制器之間傳輸都需要CPU的干預，
3. DMA方式
其基本單位不是一個字，而是資料塊，僅在傳輸一個或多個資料塊的開始和結束時，才需要CPU的干預，整塊的資料在傳送程序中是在DMA控制器下完成的，
1）命令/狀態暫存器（CR），用于記錄CPU向I/O設備控制器發來的控制資訊或設備狀態，
2）記憶體地址暫存器（MAR），輸入時，記錄資料在設備的起始目標地址；輸出時，記錄資料在記憶體的源地址，
3）資料暫存器（DR），用于暫存設備到記憶體或記憶體到設備的資料，
4）資料計數器（DC），存放本次要傳送的位元組數，
該問題在于傳輸每一批資料前后都要CPU的干預，
4. 通道控制方式（小處理機）
I/O通道方式是DMA的發展，是指專門負責輸入/輸出的處理機，可以進一步減少CPU的干預，傳多少資料在讓CPU干預，資料放在那里？多設備同時控制，這都由小處理機通道來控制，
實作了CPU、通道和I/O設備三者的并行操作，大大的提高了系統利用率，
當CPU要完成一組相關的讀寫時，只需像I/O通道發送一條I/O指令，其它的控制都交給通道控制，等資料傳完時在中斷CPU，
通道與一般的CPU的區別是，通道指令型別單一，沒有自己的記憶體，和CPU共享記憶體，
1.3 I/O子系統的層次結構
二、I/O核心子系統
2.1 I/O子系統概述
管理各類設備的方法共同組成OS內核的I/O子系統，與內核其它方面獨立，其I/O核心子系統提供的服務主要由I/O調度、緩沖與高速快取、設備分配與回收、假脫機、設備保護和差錯處理等，
2.2 I/O調度概念
目的就是為了使行程之間公平高效有序的對共享設備的訪問，減少I/O完成所需要的平均等待時間，
原本有一個I/O請求佇列，但是I/O調度會重新安排佇列順序，以改善系統的總體效率和應用程式的平均回應時間，
2.3 高速快取與緩沖區
- 磁盤高速快取
把資料預先存到介于CPU與記憶體之間的小容量高速存盤器上，以提高CPU取指令或資料的速度， - 緩沖區
用來緩沖CPU與I/O速度不匹配的問題，有單緩沖、雙緩沖、回圈緩沖、緩沖池四種，
單緩沖，一次只能讀或寫，一個在進行的時候，另一個就必須阻塞，設資料進入緩沖區時間為T，資料轉移時間為M，資料處理時間為C，則用單緩沖區處理每塊資料的用時為max（C,T）+M
按照上面的規則，則雙緩沖的用時為max（C+M，T）
若M+C < T ，則可使塊設備連續輸入；反則CPU可不必等待設備輸入，
而回圈緩沖是用一個回圈鏈表表示，有兩個指標in和out，in指標指向可以輸入資料的第一個慷訓區，out指標指向可以輸出資料的第一個緩沖區
緩沖池則有三個鏈表，4種緩沖區，慷訓沖佇列、裝滿輸入資料佇列、裝滿輸出資料緩沖佇列，
- 高速緩沖與緩沖區的對比
- 高速緩沖與緩沖區的對比
2.4 設備分配與回收
- 設備分配概述
合理公平高效的分配，讓設備盡可能的忙，要避免死鎖，
1）獨占式使用設備
2）分時式共享使用設備
3）以SPOOLing方式使用外部設備- 設備分配的資料結構
這些資料結構通過指標一環套一環，注意下圖，
- 設備分配的策略
在避免死鎖的情況下，利用合理高效的設備分配演算法（FIFO、優先級高優先等）來動態分配，- 設備分配的安全性
1）安全分配方式，一旦行程請求I/O便進入阻塞態，不保持資源也不再請求其它資源，直到I/O完成才被喚醒，但是CPU與I/O是串行作業，
2）不安全分配方式，需要一個請求一個，請求后繼續運行，需要另一個I/O請求時，又請求，直到所請求的I/O在被的行程占用時，
優點：一個行程同時操作多個設備，從而快速推進行程，缺點：可能產生死鎖，
2.5 SPOOLing技術（假脫機技術）
為了解決CPU的高速性與I/O設備低速性之間的矛盾，引入脫機技術，將獨占設備看似改造成共享設備的技術，
在磁盤上開辟輸入井和輸出井，然后自動一個行程一個行程的I/O任務完成，
如用戶A和B同時操控列印機，而OS將兩個任務放在磁盤的井中，然后通過井中的資料一個行程一個行程的I／O任務自動有序運行，
記憶體中的資料傳到輸出井，外設的資料傳到輸入井，
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