5.2、IO核心子系统
1、IO层次结构
IO实现普遍采用了层次式的结构。其基本思想与计算机网络中的层次结构相同：将系统IO的功能组织成一系列的层次，每一层完成整个系统功能的一个子集，其实现依赖于下层完成更原始的功能，并屏蔽这些功能的实现细节，从而为上层提供各种服务。
一个比较合理的层次划分为四个层次的系统结构，各层次及其功能如下：
1）用户层IO软件：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IO操作有关的库函数，对设备进行操作。
2）设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护，以及设备分配与释放等，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：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IO设备工作的驱动程序。
4）中断处理程序：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，处理完并回复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。
2、IO调度概念
调度一组IO请求就是确定确定一个好的顺序来执行这些请求。应用程序所发布的系统调用的顺序不一定总是最佳选择，所以需要调度来改善系统整体性能，是进程之间公平的共享设备访问，减少IO完成所需要的平均等待时间。
操作系统开发人员通过为每个设备维护一个请求队列来实现调度。当一个应用程序执行阻塞IO系统调用时，该请求就加到相应设备的队列上。IO调度会重新安排队列顺序以改善系统总体效率和应用程序的平均响应时间。
IO子系统还可以使用主存或磁盘上的存储空间的技术，如缓冲、高速缓冲、假脱机等。
3、高速缓存与缓冲区
操作系统总是用磁盘高速缓存技术来提高磁盘的IO速度，对高速缓存复制的访问要比原始数据访问更为高效。例如，正在运行的进程的指令即存储在磁盘上，也存储在物理内存上，也被复制到CPU的二级和一级高速缓存中。
不过，磁盘高速缓存技术不同于通常意义下的介于CPU与内存之间的小容量高速存储器，而是利用内存中的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息，因此，磁盘高速缓存在逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块。
高速缓存在内存中分为两种形式：一种是在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁盘高速缓存，大小固定；另一种是把未利用的内存空间作为一个缓冲池，共请求分页系统和磁盘IO时共享。
在设备管理子系统中，引入缓冲区的目的有：
1）缓和CPU与IO 设备间速度不匹配的矛盾。
2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU 中断响应时间的限制。
3）解决基本数据单元大小不匹配的问题。
4）提高CPU和IO设备之间的并行性。
其实现方法有：
1）采用硬件缓冲器，但由于成本太高，出一些关键部位外，一般情况下不采用硬件缓冲器。
2）采用缓冲区（位于内存区域）
根据系统设置缓冲器的个数，缓冲技术可以分为：
1）单缓冲。在设备和处理器之间设置一个缓冲区。设备和处理器交换数据时，先把被交换数据写入缓冲区，然后把需要数据的设备或处理器从缓冲区取走数据。
在块设备输入时，假定从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间为T，操作系统将该缓冲区中的数据局传送到用户区的时间为M，而CPU对这一块数据处理的时间为C。由于T和C是可以并行的，所以可把系统对每一块数据的处理时间表示为Max（C,T）+M。
2）双缓冲。双缓冲区机制又称缓冲对换。IO设备输入数据时先输入到缓冲区1，直到缓冲区1满后才输入到缓冲区2，此时操作系统可以从缓冲区1中取出数据放入用户进程，并由CPU计算。双缓冲的使用提高了处理器和输入设备的并行操作的程度。
系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max（C,T）。如果CT，则可使CPU不必等待设备输入。对于字符设备，若采用行输入方式，则采用双缓冲可使用户再输入完第一行之后，在CPU执行第一行中的命令的同事，用户可继续向第二缓冲区输入下一行数据。而单缓冲情况下则必须等待一行数据被提取完毕才可输入下一行的数据。
如果两台机器之间通信仅配置了单缓冲，那么，他们在任意时刻都只能实现单方向的数据传输。为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置两个缓冲区，一个用作发送缓冲区，另一个用作接收缓冲区。
3）循环缓冲：包含多个大小相等的缓冲区，每个缓冲区中有一个缓冲区，最后一个缓冲区指针指向第一个缓冲区，多个缓冲区构成一个环形。用于输入输出时，还需要有两个指针in和out。对输入而言，首先要从设备接收数据到缓冲区中，in指针指向可以输入数据的第一个空缓冲区；当运行进程需要数据时，从循环缓冲去中去一个装满数据的缓冲区，并从此缓冲区中提取数据，out指针指向可以提取数据的第一个满缓冲区。输出正好相反。
4）缓冲池：由多个系统共用的缓冲区组成，缓冲区按其使用状况可以形成三个队列：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）和装满输出数据的缓冲队列（输出队列）。还应具有四种缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区、用于收容输出数据的工作缓冲区、用于提取输出数据的工作缓冲区。
（4）高速缓存与缓冲区的对比
高速缓存是可以保存复制数据的高速存储器。访问高速缓存比访问原始数据更高效，速度更快。
4、设备的分配与回收
设备分配的基本任务是根据用户的IO请求，为他们分配所需的设备。设备分配的总原则是充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙碌，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁。从设备的特性来看，可以把设备分成独占设备、共享设备和虚拟设备三类。
对于独立设备，讲一个设备分配给某进程后，便有改进成都站，直至该进程完成或释放该设备。对于共享设备，可以同时分配给多个进程使用，但需要对这些进程访问该设备的先后次序进程合理的调度。虚拟设备属于可共享设备，可以将它同时分配给多个进程使用。
设备分配依据的主要数据结构有设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）和系统设备表（SDT），各数据结构功能如下：
设备控制表：系统为每一个设备配置一张DCT，它用于记录设备的特性以及与IO控制器连接的情况。DCT包括设备标示符、设备类型、设备状态、指向COUCT的指针等。其中，设备队列指针指向等待使用该设备的进程组成的等待队列，控制表指针指向于该设备相连接的设备控制器。
控制器控制表：每个控制器都配有一张COCT，它反应设备控制器的使用状态以及和通道的连接情况等。
通道控制表：每个通道配有一张CHCT。
系统设备表：整个系统只有一张SDT，它记录已连接到系统中的所有物理设备的情况，每个物理设备占一个表目。
由于在多道程序系统中，进程数多于资源数，会引起资源的竞争。因此，要有一套合理的分配原则，主要考虑的因素有：IO设备的固有属性，IO设备的分配算法，设备分配的安全性，以及设备独立性。
1）设备分配原则。设备的分配原则应根据设备特性、用户要求和系统配置的情况来决定。设备分配的总原则既要充分发挥设备的使用效率，又要避免造成进程死锁，还要将用户程序和具体设备隔离开。
2）设备分配方式。设备分配方式有静态分配和动态分配两种。
静态分配主要用于对独占设备的分配，它在用户作业开始执行前，有系统一次性分配该作业所要求的全部设备、控制器（和通道）。一旦分配后，这些设备、控制器（和通道）就一直为高作业所占用，知道该作业被撤销。静态分配方式不会出现死锁，但设备的使用效率较低。因此，静态分配方式并不符合分配的总原则。
动态分配是在进程执行过程中根据执行需要进行。当进程需要设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，由系统按照事先规定的策略给进程分配所需要的设备、IO控制器，一旦用完之后，便立即释放。动态分配方式有利于提高设备的利用率，但如果分配算法使用不当，则有可能造成进程死锁。
3）设备分配算法。常用的动态设备分配算法有先请求先分配、优先级高者优先等。
对于独占设备，即可以采用动态分配方式也可以静态分配方式，往往采用静态分配方式，即在作业执行前，将作业所要用到的这一类设备分配给它。共享设备可被多个进程所共享，一般采用动态分配方式，但在每个IO传输的单位时间内只被一个进程所占有，通常采用先请求先分配和优先级高者先分的分配算法。
设备分配的安全性是指设备分配中应防止发生进程死锁。
1）安全分配方式。每当进程发出IO请求后便进入阻塞状态，直到其IO操作完成时才被唤醒。这样，一旦进程已经获得某种设备后便阻塞，不嫩再请求任何资源，而且在它阻塞时也不保持任何资源。有点事设备分配安全；缺点是CPU和IO设备是串行工作的。
2）不安全分配方式。进程在发出IO请求后继续运行，需要时发出第二个、第三个IO请求等。仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，才进入阻塞状态。有点事一个进程可以同时操作几个设备，从而市金城推进迅速；缺点是这种设备分配有可能产生死锁。
为了提高设备分配的灵活性和设备的利用率、方便实现IO重定向，因此引入了设备独立性。设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。
为了实现设备独立性，在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备，在系统中设置一张逻辑设备表（LUT），用于将逻辑设备名映射为物理设备名。LUT表项包括逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址；当进程用逻辑设备名来请求分配设备时，系统为他分配相应的物理设备，并在LUT中建立一个表项，以后进程再利用逻辑设备名请求IO操作时，系统通过查找LUT来寻找相应的物理设备和驱动程序。
在系统中可采取两种方式建立逻辑设备表：
1）在整个系统中只设置一张LUT表。这样，所有进程的设备分配情况都记录在这张表中，故不允许有相同的逻辑设备名，主要适用于单用户系统中。
2）为每个用户设置一张LUT。当用户登录时，系统便为用户建立一个进程，同时也位置建立一张LUT，并肩改变放入进程的PCB中。
5、SPOOLing（假脱机技术）
为了缓和CPU的高速型与IO设备低速性之间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。该技术是利用专门的外围控制机，将低速IO设备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。SPOOLing的意思是外部设备同时联机操作，又称为假脱机输入输出操作，是操作系统中采用的一项将独占设备改造成共享设备的技术。
再次攀上开辟出的两个存储区域。输入井模拟脱机输入时的磁盘，用于收容IO设备输入的数据。输出井模拟脱机输出的磁盘，用于收容用户程序的输出数据。
在内存中开辟的两个缓冲区。出入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送到输出设备。
输入进程模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区再送到输入井。当CPU需要输入数据时，直接将数据从输入井读入内存。输入进程模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备。
共享打印机是使用SPOOLing技术的一个实例，这项技术已被广泛的用于多用户系统和局域网络中。当用户进程请求打印输出时，SPOOLing系统同意为它打印输出，但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，而只为她做两件事：
1）由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中。
2）输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列中。
SPOOLing系统的特点是：提高了IO速度；将独占设备改造为共享设备；实现了虚拟设备功能。
6、出错处理
操作系统可以采用内存保护，这样一来就可以预防许多 硬件和应用程序的错误，即便有一些设备硬件上的适龄也不回导致系统的完全崩溃。
IO设备传输中出现的错误很多，如网络上的堵塞和传输过载等。操作系统可以对一些短暂的出错进行处理，比如读取磁盘出错，那么可以选择重新常识对磁盘进行read操作；再比如在网络上发送数据出错，那么只要网络通信协议允许，就可以做resend操作。但是，如果计算机系统中的重要组件出现了永久性错误，那么操作系统将无法恢复。
作为一个规则，IO系统调用通常返回一位调用状态信息，以表示成功或失败。在UNIX系统中，用一个名为errno的全局变量来表示出错代码，以表示出错原因。
注意：read、send和resend都是操作系统的基本输入输出命令，分别用来读、发送和重发数据。