与设备无关的I/O软件
1.设备独立性（无关性）
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：
①设备分配时的灵活性
3个物理设备（如打印机），程序中申请一台打印机，执行时不拘泥必须是某台（如第2个）打印机
②易于实现I/O重定向
指用于I/O操作的设备可以更换（重定向），而不必改变应用程序。 程序调试、运行中的“打印”，可通过修改逻辑设备表的显示终端，实现不同时候的不同的设备使用。
2.设备分配
多道环境下，系统中设备是所有进程共享的。要防止无序竞争，提高外设资源的利用率。需由OS进行统一、合理的设备分配。
1）数据结构
记录相应设备或控制器的状态，及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构：
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。
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。
通道控制表（CHCT）
系统设备（总）表（SDT）
系统根据进程对设备的请求进行设备分配的过程：
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（对不同进程的设备请求序列，如何进行选择），常采用两种：
FCFS
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）设备的分配过程
基本分配步骤（有通道）：
①分配设备：
根据请求设备名，查找SDT，找到DCT；
状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞，挂入DCT等待队列中。
②分配控制器
通过1步分配设备后，从DCT找到COCT；
检查COCT状态字，若忙碌，进程PCB挂到其等待队列
③分配通道
COCT找到CHCT
判断状态，…
设备分配程序的改进细节
1.增加设备的独立性
2.考虑多通路情况
分配设备：
分配控制器：
用户层的I/O软件
1.系统调用与库函数
2.设备分配中的虚拟技术—SPOOLing技术
（1）组成
<1>输入井和输出井：
磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。
<2>输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。
<3>输入进程和输出进程
用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上；
用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速
（2）特点：
<1>提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
<2>将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。
<3>实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。
缓冲区管理
引入缓冲区的主要原因：
缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率
最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。
使用缓冲区的方式：
1）单缓冲、多缓冲
单缓冲：
OS在主存中为之分配一个缓冲区。
CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。
双缓冲：
两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替
可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。
为进一步协调速度差，可增加缓冲区数量，同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步
2）循环缓冲
①循环缓冲的组成
多个缓冲区。
大小相同，三种类型：
预备装输入数据的空缓冲区R
装满数据的缓冲区G
计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
多个指针。
指示正在使用的缓冲区C的指针Current
指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti
②循环缓冲区的使用
计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。
Getbuf过程：使用缓冲区时，可调用该过程
计算进程取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一个。
输入进程放：current=nexti，R—>C，nexti下移一个
Releasebuf过程：
计算进程：C->R
输入进程：C->G
一个时段只能用于输入或输出，不能同时双向通信。
③进程同步
3）缓冲池（Buffer Pool）
①缓冲池的组成
对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：
空缓冲区；
装满输入数据的缓冲区；
装满输出数据的缓冲区；
为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列
空缓冲区队列（所有进程都可用）
输入队列（n个进程有各自的队列）
输出队列（n个进程有各自的队列）
工作状态决定了current有四种工作缓冲区：
收容输入数据的工作缓冲区
提取输入数据的工作缓冲区
收容输出数据的工作缓冲区
提取输出数据的工作缓冲区
②缓冲区的工作方式
（1）收容输入：Getbuf(emq),hin；输入数据填入一空缓冲区；Putbuf(inq,hin)
（2）提取输入： Getbuf(inq),sin；从输入缓冲队列中取出一数据区的内容；Putbuf(emq,sin)
（3）收容输出： Getbuf(emq),hout；输出数据填入一空缓冲区；Putbuf(outq,hout)
（4）提取输出： Getbuf(outq),sout；从输出缓冲队列中取一数据区的内容；Putbuf(emq,sout)
缓冲区的使用：
Getbuf（队列，工作区）
Putbuf（队列，工作区）
同步控制
磁盘存储器的性能和调度
1.磁盘性能简述
①与格式有关
数据的组织和格式
盘片、面、磁道、扇区
为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。
②与速度有关
磁盘类型
固定磁头（每道一磁头）
移动磁头（每盘一磁头）
访问时间的计算
寻道时间（到磁道）
旋转延迟（到扇区）
传输时间
传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。
2.磁盘调度方法
对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小。
目标：使平均寻道时间最少
算法：
①FCFS
多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。
磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。
②最短寻道时间优先SSTF
选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
使每次磁头移动时间最少。
不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。
对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。
③扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。
后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。
④循环扫描算法CSCAN
SCAN的错过问题：
容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。
修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”
由里向外后，再由里向外。
⑤N-Step-SCAN算法
前述最近寻道算法共同问题：
“磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）
改进：
将磁盘请求队列分成长为N 的子队列
按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。
⑥FSCAN算法
N-Step-SCAN的简化：
请求队列只分为两个子队列
当前一个队列，按SCAN算法执行；
扫描期间新生成的组成一个队列，等待被扫描。
3.磁盘高速缓存
4.提高速度的其他方法
