一、总线与I/O
1.总线对I/O的影响
总线：解决I/O速度不匹配问题，I/O和CPU、各设备I/O速度不匹配。
2.几种经典总线模型
一、单总线结构模型：将CPU，主存和I/O模块连接到同一总线。
优点：结构简单，易于扩充；
缺点：公用总线；设备多时总线压力大，传输时延长，且慢速外设占用带宽多
二、三级总线模型
主存和Cache通过主存总线连接，主存总线和扩展总线上的I/O设备间通过扩展总线接口缓冲。
优点：主存与I/O之间的数据传送、处理器的内存活动分离；可以支持更多的I/O设备
缺点： 不适用于I/O设备数据速率相差太大的情形。
三、南桥于北桥
通过存储总线、PCI总线、E(ISA)总线分别连接主存、高速I/O设备和低俗I/O设备
有点可以支持不同数据速率的I/O设备
四、一种基于通道的服务器总线模型
支持CPU、主存和多个I/O通道之间的数据传送
支持I/O通道和I/O控制器，以及I/O控制器和设备之间的数据传送。
二、I/O软件的实现层次
1.I/O软件的设计目标
高效率：改善设备效率，求其是磁盘I/O操作的效率
通用性：用统一的标准来管理所有设备
设计思路
把软件组织成层次结构，底层软件用来屏蔽硬件细节，高层软件向用户提供简洁友善的界面。
主要考虑的问题：
设备无关性：用户进程访问设备时与具体设备的物理细节无关
出错处理：低层软件能处理的错误不让高层软件感知
同步、异步传输：支持阻塞和中断驱动两种工作方式
缓冲技术：建立数据缓冲区，提高吞吐率
2.I/O软件的实现层次
3.I/O中断处理程序
*位于OS底层，与硬件设备密切相关，与系统其余部分尽可能少的发生联系
*进程请求I/O操作时，通常被挂起，直到数据传输结束后并产生I/O中断时，操作系统接管CPU后转向中断处理程序
*当设备向CPU提出中断请求时，CPU响应请求并zhua入中断处理程序
4.设备驱动程序
包括与设备密切相关的所有代码
从独立于设备的软件中接收并执行I/O请求（把用户提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行；监督设备是否正确执行，管理数据缓冲区，进行必要的纠错处理
设备驱动程序的功能
设备初始化：在系统初次启动或设备传输数据时，预置设备和控制器以及通道状态
执行设备驱动例程：负责启动设备，进行数据传输；对于具有通道方式，还负责产生通道指令和通道程序，启动通道工作。
调用和执行中断处理程序
负责处理设备和控制器及通道所发出的各种中断
设备驱动程序的层次
1.每个设备驱动程序只处理一种设备，或者一类紧密相关的设备。
2.设备驱动程序分为整体驱动程序和分层驱动程序。
整体驱动程序直接向操作系统提高接口和控制硬件（适用于功能简单的驱动程序，效率较高，但较难迁移。
分层驱动程序将驱动程序分为多层，放在栈中，系统接到I/O请求时先调用栈顶的驱动程序，栈顶的驱动程序可以直接处理请求或者向下调用更低层的驱动程序，直至请求被处理（适用于功能复杂、重用性要求较高的驱动程序，结构清晰且便于移植，但会增加一部分系统开销）
5.独立于设备的I/O软件
执行适用于所有设备的常用I/O功能，并向用户层软件提供一致性接口
功能：
.设备命名：通过路径寻址设备
设备保护：检查用户是否有权访问所申请设备
提供与设备无关的数据单位：字符数量，块尺寸
缓冲技术：传输速率，时间约束，不能直接送达目的地
设备分配和状态跟踪：分配不同类型的设备
错误处理和报告：驱动程序无法处理的错误
6.用户空间的I/O软件
库函数：
一小部分I/O软件不在操作系统中，是与应用程序链接在一起的库函数，甚至完全由运行于用户态的程序组成
系统调用通常由库函数封装后供用户使用，封装函数只是将系统调用所用的参数放在合适位置。然后执行访管指令来陷入内核，再由内核函数实现真正的I/O操作
SPOOLing软件：在内核外运行的系统I/O软件，采用预输入、缓输出和井管理技术，通过创建守护进程和特殊目录解决独占型设备的空占问题。
三、I/O缓冲区
1.I/O缓冲技术
设置I/O缓冲的目的：1解决CPU与设备之间速度不匹配的矛盾。2协调逻辑记录大小和物理记录大小不一致的问题（读磁盘可能读20或30个字节，而磁盘至少是按照一个扇区（512个字节）来记录）。3提高CPU和设备的并行程度4.减少I/O操作对CPU的中断次数。5放宽CPU对中断响应时间的要求。
**I/O缓冲区：**在内存中开辟的存储区，专门用于临时存放I/O操作的数据
2.单缓冲技术
操作系统在主存系统区中开设一个缓冲区
3.双缓冲技术
CPU处理速度较快,I/O处理较慢，因此一个缓冲区不够用
4多缓冲技术
又叫循环缓冲技术，OS分配一组缓冲区，每个缓冲区有指向下一个缓冲区的链接指针，构成循环缓冲。
四、设备独立性
1.设备独立性概念
问题的提出
{
作业执行前对设备提出申请，指定某台具体物理设备会让设备分配变得简单。微型计算机OS多采用这种方式，直接指定物理设备。
缺点：如果指定设备出现故障，即使计算机系统中有同类设备也不能运行。
}
设备独立性及其实现
{
设备独立性：用户通常不指定物理设备，而是指定逻辑设备，使得用户进程和物理设备分离开来，再通过其它途径建立逻辑设备和物理设备之间的映射。
设备管理中需要将逻辑设备名转换为物理设备明，为此系统需要提供逻辑设备名和物理设备名的对应表以供转换使用。
}
2.设备独立性优点
{1.应用程序与具体物理设备无关，系统增减或变更设备时不需要修改源程序。
2.易于应对各种I/O设备故障，提高系统的可靠性。
3.增加设备分配的灵活性，有利于更加有效地利用设备资源，实现多道程序设计。
}
五、独占型外围设备的分配
独占型外围设备：键盘，显示器，大多数光盘、打印机等。一次只能由一个进程独占使用。使用时需要先申请再使用再归还。
1.设备分配方式
{
静态分配：进程运行前申请（实现简单，能够防止系统发生死锁名单会降低设备利用率）
动态分配：进程随用随申请（提高设备利用率， 但会造成死锁）
}
2.设备分配数据结构
{
1.设备表：
每类设备都有各自的设备表，用来登记这类设备中的每台物理设备
包括：物理设备名，逻辑设备名，占有设备的进程，分配标志，好/坏标志等
2.设备类表
每类设备对应于设备类表的中一栏
包括：设备类，总台数，空闲台数，设备表起始地址等
支持设备独立性使用
}
