1、1操作系統內核的操作系統內核的I/O子系統子系統2內核內核I/O子系統子系統n內核與內核與I/O有關服務：有關服務： I/O調度、調度、緩沖緩沖、高速緩沖高速緩沖、spooling、設備預訂、錯誤處理、設備預訂、錯誤處理.n內核內核I/O子系統負責：子系統負責：l文件和設備命名空間的管理文件和設備命名空間的管理l文件和設備訪問控制文件和設備訪問控制l操作控制（操作控制（for example,a moderm cannot seek()）l文件系統空間的分配文件系統空間的分配l設備分配設備分配l緩沖、高速緩存、假脫機緩沖、高速緩存、假脫機lI/O調度調度l設備狀態監控、錯誤處理、失敗恢復設備狀

2、態監控、錯誤處理、失敗恢復l設備驅動程序的配置和初始化設備驅動程序的配置和初始化3I/OI/O調度調度nI/OI/O調度調度：調度一組調度一組I/OI/O請求就是確定一個好的順序來執請求就是確定一個好的順序來執行這些請求。行這些請求。l某些I/O需要按設備隊列的順序-先來先服務先來先服務l 某些操作系統嘗試著公平-優先級高者優先優先級高者優先l 磁盤I/O調度n實現lOS通過為每個設備維護一個請求隊列來實現調度。l可以試圖公平，也可以根據不同的優先級進行I/O調度。l其他方法：緩沖、高速緩沖、假脫機4緩沖buffern緩沖緩沖 Buffering用來保存在兩設備之間或在設備和應用程序之間所傳輸

3、數據的內存區域。n緩沖區管理：為了解決緩沖區管理：為了解決CPU與與I/O之間速度不匹配的之間速度不匹配的矛盾矛盾，在它們之間配置了緩沖區。這樣設備管理程，在它們之間配置了緩沖區。這樣設備管理程序又要負責管理緩沖區的建立、分配和釋放。序又要負責管理緩沖區的建立、分配和釋放。n緩沖作用：緩沖作用：l解決設備速度不匹配解決設備速度不匹配l解決設備傳輸塊的大小不匹配解決設備傳輸塊的大小不匹配l為了維持為了維持拷貝語義拷貝語義“copy semantics”要求要求n單緩沖、雙緩沖、多緩沖、緩沖池單緩沖、雙緩沖、多緩沖、緩沖池5高速緩存高速緩存n高速緩存高速緩存 Caching高速緩存（cache）：

4、是可以保留數據拷貝的高速內存。n緩沖與高速緩存的差別是緩沖只是保留數據僅有的一緩沖只是保留數據僅有的一個現存拷貝個現存拷貝，而根據定義高速緩存只是提供了一個駐留在其他地方的數據的一個高速拷貝。n高速緩存和緩沖是兩個不同的功能，但有時一塊內存區域也可以同時用于兩個目的。l當內核接收到I/O請求時，內核首先檢查高速緩存以確定相應文件的內容是否在內存中。如果是，物理磁盤I/O就可以避免或延遲。6假脫機技術假脫機技術nSPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On Line），稱為假脫機技術。：用來保存設備輸出的緩沖，這些設備如打印機不能接收交叉的數據流。l

5、操作系統通過截取對打印機的輸出來解決這一問題。應用程序的輸出先是假脫機到一個獨立的磁盤文件上。當應用程序完成打印時，假脫機系統將相應的待送打印機的假脫機文件進行排隊nPrinting：打印機雖然是獨享設備，通過SPOOLing技術，可以將它改造為一臺可供多個用戶共享的設備。7設備預訂和錯誤處理設備預訂和錯誤處理n設備預訂設備預訂提供對設備的獨占訪問提供對設備的獨占訪問l分配和再分配的系統調用l有可能產生死鎖有可能產生死鎖n錯誤處理錯誤處理 Error Handling l操作系統可以恢復磁盤讀，設備無效，暫時的失敗l當I/O失敗時，大多數返回一個錯誤碼 l系統日志記錄了出錯報告8內核數據結構內

6、核數據結構n內核需要保存留I/O組件使用的狀態信息，包括打開文件表，網絡連接，字符設備狀態等n許多復雜的數據結構用來跟蹤緩沖，內存分配，及“臟”塊n某些OS用面向對象的方法和消息傳遞的方法來實現I/O9UNIX I/O內核內核結結構構10轉換轉換I/O請求為硬件操作請求為硬件操作I/O請求到硬件操作請求到硬件操作n考慮一個考慮一個進程從磁盤中讀取一個文件過程進程從磁盤中讀取一個文件過程l確定保存文件的設備確定保存文件的設備l轉換名字到設備的表示法轉換名字到設備的表示法l把數據從磁盤讀到緩沖區中把數據從磁盤讀到緩沖區中l通知請求進程數據現在是有效的通知請求進程數據現在是有效的l把控制權返回給進程

7、把控制權返回給進程11I/O請求的周期數據已在緩沖區啟動I/O設備12習題分析1在操作系統中，用戶在使用在操作系統中，用戶在使用I/O設備時，通常采用設備時，通常采用 A設備的絕對號設備的絕對號 B設備的相對號設備的相對號C虛擬設備號虛擬設備號 D設備名設備名2在現代操作系統中采用緩沖技術的主要目的是在現代操作系統中采用緩沖技術的主要目的是 A.改善用戶編程環境改善用戶編程環境 B.提高提高CPU的處理速度的處理速度C.提高提高CPU和設備之間的并行程度和設備之間的并行程度 D.實現與設備無關性實現與設備無關性 3. 設備的打開、關閉、讀、寫等操作是由設備的打開、關閉、讀、寫等操作是由 完成的。完成的。A用戶程序用戶程序 B編譯程序編譯程序 C設備分配程序設備分配程序 D設備驅動程序設備驅動程序 13習題分析4I/O系統有三種常用方式來與主機交換數據系統有三種常用方式來與主機交換數據，它們是程序輪詢方式、中斷方式和，它們是程序輪詢方式、中斷方式和方式，其中方式主要由硬件來實方式，其中方式主要由硬件來實現，此時高速外設和內存之間進行數據交現，此時高速外設和內存之間進行數據交換換 。