與裝置無關的I/O軟體

1.裝置獨立性（無關性）
使用者程式設計時所用的裝置名（邏輯上的）與實際物理裝置無關；
好處：
①裝置分配時的靈活性
3個物理裝置（如印表機），程式中申請一臺印表機，執行時不拘泥必須是某臺（如第2個）印表機
②易於實現I/O重定向
指用於I/O操作的裝置可以更換（重定向），而不必改變應用程式。 程式除錯、執行中的“列印”，可通過修改邏輯裝置表的顯示終端，實現不同時候的不同的裝置使用。
2.裝置分配
多道環境下，系統中裝置是所有程序共享的。要防止無序競爭，提高外設資源的利用率。需由OS進行統一、合理的裝置分配。
1）資料結構
記錄相應裝置或控制器的狀態，及對裝置或控制器進行控制所需的資訊。所需資料結構：
裝置控制表（DCT）
系統為每一裝置都配置一張
記錄本裝置的情況。

控制器控制表（COCT）
系統為每一控制器都配置一張
記錄本控制器的情況。

通道控制表（CHCT）

系統裝置（總）表（SDT）

系統根據程序對裝置的請求進行裝置分配的過程：

2）裝置分配需考慮的因素
裝置固有屬性：獨佔、共享、獨佔但可虛擬。根據屬性採取互斥、次序排程、虛擬等不同分配策略。
裝置分配演算法（對不同程序的裝置請求序列，如何進行選擇），常採用兩種：
FCFS
優先順序高者優先
裝置分配的安全性：程序開始I/O後就阻塞直到I/O完成。不“請求和保持”（安全的）；允許連續I/O請求，是不安全的，此類分配方式需進行安全性檢查。
裝置獨立性
使用者IO請求中使用邏輯名申請某類裝置，實際物理名稱是系統根據裝置型別分析分配後才確定的。
3）裝置的分配過程
基本分配步驟（有通道）：
①分配裝置：
根據請求裝置名，查詢SDT，找到DCT；
狀態、安全性等因素都可能導致本申請程序阻塞，掛入DCT等待佇列中。
②分配控制器
通過1步分配裝置後，從DCT找到COCT；
檢查COCT狀態字，若忙碌，程序PCB掛到其等待佇列
③分配通道
COCT找到CHCT
判斷狀態，…
裝置分配程式的改進細節
1.增加裝置的獨立性
2.考慮多通路情況
分配裝置：

分配控制器：

使用者層的I/O軟體

1.系統呼叫與庫函式
2.裝置分配中的虛擬技術—SPOOLing技術
（1）組成
<1>輸入井和輸出井：
磁碟上開闢兩大儲存空間。輸入井模擬離線輸入的磁碟裝置，輸出井模擬離線輸出時的磁碟。
<2>輸入緩衝區和輸出緩衝區

：為緩解速度矛盾，記憶體中開闢兩大緩衝空間，輸入緩衝區暫存輸入裝置送來的資料，再送給輸入井；輸出緩衝區暫存輸出井送來的資料，再送輸出裝置。
<3>輸入程序和輸出程序
用一程序模擬離線輸入時外圍裝置控制器的功能，把低速輸入裝置上的資料傳送到高速磁碟上；
用另一程序模擬離線輸出時外圍裝置控制器的功能，把資料從磁碟上傳送到低速

（2）特點：
<1>提高了I/O的速度。利用輸入輸出井模擬成離線輸入輸出，緩和了CPU和I/O裝置速度不匹配的矛盾。
<2>將獨佔裝置改造為共享裝置。並沒有為程序分配裝置，而是為程序分配一儲存區和建立一張I/O請求表。
<3>實現了虛擬裝置功能。多個程序可“同時”使用一臺獨佔裝置。

緩衝區管理

引入緩衝區的主要原因：
緩和CPU與I/O裝置間速度不匹配的矛盾。
緩衝區資料成批傳入記憶體，也可進一步減少對CPU的中斷頻率
最終目的：提高CPU和I/O裝置的並行性。
使用緩衝區的方式：
1）單緩衝、多緩衝
單緩衝：
OS在主存中為之分配一個緩衝區。
CPU和外設輪流使用，一方處理完後等待對方處理。
雙緩衝：
兩個緩衝區，CPU和外設不再針對一塊交替
可能實現連續處理無需等待對方。前提是CPU和外設對一塊資料的處理速度相近。而如下圖情況CPU仍需等待慢速裝置。

為進一步協調速度差，可增加緩衝區數量，同時進行一定的多緩衝管理入和出的同步
2）迴圈緩衝

①迴圈緩衝的組成
多個緩衝區。
大小相同，三種類型：
預備裝輸入資料的空緩衝區R
裝滿資料的緩衝區G
計算程序正在使用的現行工作緩衝區C
多個指標。
指示正在使用的緩衝區C的指標Current
指示計算程序下一個可取的緩衝區G的指標Nextg
指示輸入程序下次可放的緩衝區R的指標Nexti
②迴圈緩衝區的使用
計算程序(CPU)和輸入程序(I/O操作)可利用兩個過程來使用迴圈緩衝區。
Getbuf過程：使用緩衝區時，可呼叫該過程
計算程序取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一個。
輸入程序放：current=nexti，R—>C，nexti下移一個
Releasebuf過程：
計算程序：C->R
輸入程序：C->G
一個時段只能用於輸入或輸出，不能同時雙向通訊。
③程序同步
3）緩衝池（Buffer Pool）
①緩衝池的組成
對於既可輸入又可輸出的公用緩衝池，至少應含有下列三種類型的緩衝區：
空緩衝區；
裝滿輸入資料的緩衝區；
裝滿輸出資料的緩衝區；
為方便管理，將上述型別相同的緩衝區連成佇列
空緩衝區佇列（所有程序都可用）
輸入佇列（n個程序有各自的佇列）
輸出佇列（n個程序有各自的佇列）
工作狀態決定了current有四種工作緩衝區：
收容輸入資料的工作緩衝區
提取輸入資料的工作緩衝區
收容輸出資料的工作緩衝區
提取輸出資料的工作緩衝區
②緩衝區的工作方式
（1）收容輸入：Getbuf(emq),hin；輸入資料填入一空緩衝區；Putbuf(inq,hin)
（2）提取輸入： Getbuf(inq),sin；從輸入緩衝佇列中取出一資料區的內容；Putbuf(emq,sin)
（3）收容輸出： Getbuf(emq),hout；輸出資料填入一空緩衝區；Putbuf(outq,hout)
（4）提取輸出： Getbuf(outq),sout；從輸出緩衝佇列中取一資料區的內容；Putbuf(emq,sout)
緩衝區的使用：
Getbuf（佇列，工作區）
Putbuf（佇列，工作區）
同步控制

磁碟儲存器的效能和排程

1.磁碟效能簡述
①與格式有關
資料的組織和格式
碟片、面、磁軌、扇區
為方便處理，每條磁軌儲存容量相同，每個磁軌上的每個扇區相當於一個盤塊。磁碟”格式化”的過程就是按規定的格式規劃盤塊。
②與速度有關
磁碟型別
固定磁頭（每道一磁頭）
移動磁頭（每盤一磁頭）
訪問時間的計算
尋道時間（到磁軌）
旋轉延遲（到扇區）
傳輸時間
傳輸時間佔總時間的比例最小，磁碟讀寫速度的提高要選擇合適的排程演算法，減少前兩項用時，使所有作業的磁碟處理時間均衡。
2.磁碟排程方法
對所有請求訪問磁碟的程序進行合理排程，使對磁碟的平均訪問時間最小。
目標：使平均尋道時間最少
演算法：
①FCFS
多個程序的磁碟I/O請求構成一個隨機分佈的請求佇列。
磁碟I/O執行順序按磁碟請求的先後順序。

②最短尋道時間優先SSTF
選擇從當前磁頭位置出發移動最少的磁碟I/O請求
使每次磁頭移動時間最少。
不一定是最短平均柱面定位時間，但比FIFO演算法有更好的效能。
對中間的磁軌有利，但可能會有程序處於飢餓狀態（I/O請求總不被執行）。

③掃描演算法SCAN（磁碟電梯排程演算法）
規定磁頭移動方向：自裡向外，再自外向裡移動。
後續的I/O磁軌請求，哪個在規定方向上距離最近，就先執行哪個。
④迴圈掃描演算法CSCAN
SCAN的錯過問題：
容易錯過與當前磁軌距離近，但方向不一致的磁軌。
修改：將SCAN規定的移動方向改為“單向移動”
由裡向外後，再由裡向外。
⑤N-Step-SCAN演算法
前述最近尋道演算法共同問題：
“磁臂粘著”——磁頭靜止在一個磁軌上，導致其它程序無法及時進行磁碟I/O。（因：高密度盤，程序的讀寫可能集中在某一磁軌）
改進：
將磁碟請求佇列分成長為N 的子佇列
按FCFS選擇子佇列。佇列內又按SCAN演算法。
⑥FSCAN演算法
N-Step-SCAN的簡化：
請求佇列只分為兩個子佇列
當前一個佇列，按SCAN演算法執行；
掃描期間新生成的組成一個佇列，等待被掃描。
3.磁碟快取記憶體
4.提高速度的其他方法