一、I/O系统的组成：
1.需要用于输入、输出和存储信息的设备；
2.需要相应的设备控制器；
3.控制器与CPU连接的高速总线；
4.有的大中型计算机系统，配置I/O通道；
二、I/O软件的层级结构及层功能：
①用户层软件（用户相关）：
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。
②设备独立性软件（管理硬件）
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。
③设备驱动程序（硬件相关）
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。
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，并把它装入到设备控制其中的命令和参数寄存器中
④中断处理程序 （处于I/O系统底层，直接与硬件进行交互）
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现场后，返回到被中断进程。I/O设备工作的驱动程序。
三、I/O系统接口
1、块设备接口
以数据块为单位的设备，传输速率较高、可寻址，磁盘设备的I/O常采用DMA方式。隐藏了磁盘的二维结构，将抽象命令映射为低层操作。
2、流设备接口
以字符为单位的设备，（键盘、打印机），传输速率较低、不可寻址，常采用中断驱动方式。get、put操作，in-control指令。
3、网络通信接口
（操作系统必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使得计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信，或上网浏览。）
四、I/O设备和设备控制器
1、I/O设备与控制器有三种类型的接口：
数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送) ，控制信号线(读\写\移动磁头等控制)， 状态信号线。
2、设备控制器：
介绍：
设备并不直接与CPU通信，设备控制器负责控制一个或多个I/O设备，控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。
功能：
①接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
②标识和报告设备的状态（状态寄存器）
③数据交换（数据寄存器）
④地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
⑤数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
⑥差错控制
组成：
I/O逻辑：
处理机将启动命令发送给设备控制器同时通过地址线将地址发送给控制器，控制器的I/O逻辑对收到的地址和命令进行译码，再根据所译出的命令选择设备进行控制。
3、I/O通道
介绍：
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预，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/O 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）
通道类型：
①、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（固定型）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。适用于并行、低速设备
②、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。
③、数组多路通道
含多个非分配型子通道。数据传送则按数组方式进行。
五、中断机构和中断处理程序
简介：
中断在操作系统中有特殊而重要的地位，没有它就不可能实现多道程序。
中断是I/O系统最低的一层，也是设备管理的基础。
对多中断源的处理方式：
①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。
简单，但不能用于对实时性要求较高的中断请求。
②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。
中断处理程序的主要工作：
①进行进程上下文的切换
②对处理中断信号源进行测试
③读取设备状态
④修改进程状态
中断处理的流程：
六、设备驱动程序：
介绍：
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，转换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I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；
(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；
如果设备忙碌，则将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。
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I/O设备的硬件特性，紧密相关。
(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O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语言编写。
(5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。
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I/O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I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作；
(3)不设置专门的设备处理进程，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。
处理过程：
之后控制逻辑开始工作驱动程序暂时阻塞等待中断信号。
一次I/O由“驱动程序+中断程序”一块处理完成
I/O控制方式：
程序I/O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
首先：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 。
但是！高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。
cpu的过程图
中断驱动I/O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。 （cpu其实是干预的）
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。
直接存储器访问DMA（字节—块）
过程：
优点！！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。
因此：
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
特点:
①数据传输的基本单位是数据块；
②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。
③CPU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适用于读一个连续的数据块；
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。
为实现主机与控制器之间块数据的直接交换，必须设置如下四类寄存器：
数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。
内存地址寄存器 MAR：它存放把数据从设备传送到内存的起始的目标地址或内存原地址。
数据计数器 DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。
命令/状态寄存器 CR：用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制和状态信息。
过程：
CPU先向磁盘控制器发送一条读命令，该命令被送到命令寄存器CR中。
同时发送数据读入到内存的起始地址，该地址被送入MAR中；
要读数据的字数则送入数据计数器DC中；
将磁盘中的数据原地址直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑上，按设备状态启动磁头到相应位置。
启动DMA控制器控制逻辑开始进行数据传送
DMA控制器读入一个数据到数据寄存器DR中，然后传到内存MAR地址中；
接着MAR+1,DC-1，判断DC是否为0,如否，继续，反之控制器发中断请求，传送完毕。
I/O通道控制方式（组织传送的独立）
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。
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。
宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。
七、与设备无关的I/O软件
介绍：
为了实现设备独立性（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），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。
用户编程时所用的设备名（逻辑上的）与实际物理设备无关；
好处：设备分配时的灵活性；易于实现I/O重定向。
逻辑设备名到物理设备名的映射：
逻辑设备表LUT（Logical Unit Table） 两种方式：
设备分配：
1、设备分配中的数据结构
1.1 设备控制表（DCT）：
系统为每一设备都配置一张，记录本设备的情况。
2.2控制器控制表（COCT）
系统为每一控制器都配置一张.记录本控制器的情况。
2.3通道控制表CHCT
2.4系统设备表（SDT）
2、设备分配需考虑的因素
设备固有属性：
独占、共享、独占但可虚拟。根据属性采取互斥、次序调度、虚拟等不同分配策略。
设备分配算法：
1、FCFS 2、优先级高者优先
设备分配的安全性：
进程开始I/O后就阻塞直到I/O完成。不“请求和保持”（安全的）；
允许连续I/O请求，是不安全的，此类分配方式需进行安全性检查。
设备独立性：
用户IO请求中使用逻辑名申请某类设备，实际物理名称是系统根据设备类型分析分配后才确定的。
3、独占设备的分配过程
I/O请求->SDT（系统控制表）->DCT（设备控制表）若忙则->挂在设备等待队列 若不忙则->计算安全性后 安全->分配设备 不安全->挂在设备等待队列。
分配之后->COCT 检查COCT状态字 忙->挂在设备控制器等待队列 不忙->分配控制器
分配之后->CHCT 检查CHCT状态字 忙->挂在通道等待队列 不忙->分配通道
。。。