小部分I/O系統(tǒng)軟件放在了用戶應用層上。
庫函數(shù)（與應用程序鏈接）
假脫機技術（虛擬設備）
1)系統(tǒng)調用與庫函數(shù)
¨不允許運行在用戶態(tài)的應用進程，去直接調用運行在核心態(tài)（系統(tǒng)態(tài)）的OS過程。
¨應用進程在運行時，又必須取得OS所提供的服務。
于是：
¨OS在用戶層中引入了系統(tǒng)調用，應用程序可以通過它，間接調用OS中的I/O過程，對I/O設備進行操作。
2）設備分配中的虛擬技術——SPOOLing技術
虛擬性是OS的四大特征之一。
多道程序技術將一臺物理CPU虛擬為多臺邏輯CPU，實現(xiàn)多個用戶共享一臺主機；
如何將一臺物理I/O設備虛擬為多臺邏輯I/O設備，允許多個用戶共享“同時使用” ？
假脫機技術
多道程序技術，專門利用程序模擬脫機I/O的外圍機，完成設備I/O操作。
¨稱這種聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作為SPOOLing 技術（Simultaneaus Periphernal Operating On—Line，或稱為假脫機操作）
¨一般進程對獨占設備的需求被假脫機模擬到磁盤上。所以實現(xiàn)設備虛擬，多道是前提，還需高速、大容量、可隨機存取的外存支持。
SPOOLing系統(tǒng)的特點
1.提高了I/O的速度。利用輸入輸出井模擬成脫機輸入輸出，緩和了CPU和I/O設備速度不匹配的矛盾。
2.將獨占設備改造為共享設備。并沒有為進程分配設備，而是為進程分配一存儲區(qū)和建立一張I/O請求表。
3.最終，實現(xiàn)了虛擬設備功能。多個進程可“同時”使用一臺獨占設備。
緩沖管理
I/O控制方式減少CPU對I/O的干預提高利用率；
緩沖則通過緩和CPU和I/O設備速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O設備的并行性，提高利用率。
現(xiàn)代OS中，幾乎所有的I/O設備與處理機交換數(shù)據(jù)時，都用了緩沖區(qū)。
①循環(huán)緩沖的組成
多個緩沖區(qū)。大小相同，三種類型：
¨預備裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R
¨裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G
¨計算進程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū)C
多個指針。
¨指示正在使用的緩沖區(qū)C的指針Current
¨指示計算進程下一個可取的緩沖區(qū)G的指針Nextg
¨指示輸入進程下次可放的緩沖區(qū)R的指針Nexti
②循環(huán)緩沖區(qū)的使用
計算進程(CPU)和輸入進程(I/O操作)可利用兩個過程來使用循環(huán)緩沖區(qū)。
主要就是利用指針，操作上述不同類型緩沖區(qū)
Getbuf過程：使用緩沖區(qū)時，可調用該過程
計算進程取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一個。
輸入進程放：current=nexti，R—>C，nexti下移一個
Releasebuf過程：
計算進程：C->R
輸入進程：C->G
③進程同步
兩個進程的控制：輸入進程和計算進程并行執(zhí)行，如何控制相應的兩個指針不斷順時針方向移動，這樣就可能出現(xiàn)兩種情況：
1.Nexti趕上Nextg。意味著輸入速度大于計算速度，緩沖區(qū)滿，只能阻塞輸入進程等計算進程取，此情況稱為系統(tǒng)受計算限制。
2.Nextg趕上Nexti。意味著輸入速度低于計算速度，緩沖區(qū)空，只能阻塞計算進程等輸入進程放，此情況稱為系統(tǒng)受I/O限制。
3）緩沖池（Buffer Pool）
循環(huán)緩沖的問題
不能同時雙向通訊
利用率不高。緩沖區(qū)是專用緩沖。（每個進程都要維護自己的一個循環(huán)緩沖區(qū)），使用有剩余時也不給其他進程使用，消耗大量內(nèi)存空間。
系統(tǒng)并發(fā)程序很多時，許多這樣的循環(huán)緩沖需要管理，比較復雜。
為提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛流行緩沖池，在池中設置多個可供若干個進程共享的緩沖區(qū)。
①緩沖池的組成
對于既可輸入又可輸出的公用緩沖池，至少應含有下列三種類型的緩沖區(qū)：
1.空緩沖區(qū)；
2.裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；
3.裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；
? 為方便管理，將上述類型相同的緩沖區(qū)連成隊列
¨空緩沖區(qū)隊列（所有進程都可用）
¨輸入隊列（n個進程有各自的隊列）
¨輸出隊列（n個進程有各自的隊列）
*（隊列長度不固定，根據(jù)進程實際情況靈活變動，需要多少用多少）
②緩沖區(qū)的工作方式
四種工作方式：
1.收容輸入：Getbuf(emq),hin；輸入數(shù)據(jù)填入一空緩沖區(qū)；Putbuf(inq,hin)
2.提取輸入： Getbuf(inq),sin；從輸入緩沖隊列中取出一數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容；Putbuf(emq,sin)
3.收容輸出： Getbuf(emq),hout；輸出數(shù)據(jù)填入一空緩沖區(qū)；Putbuf(outq,hout)
4.提取輸出： Getbuf(outq),sout；從輸出緩沖隊列中取一數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容；Putbuf(emq,sout)
磁盤調度方法
對所有請求訪問磁盤的進程進行合理調度，使對磁盤的平均訪問時間最小。
目標：使平均尋道時間最少。
算法：
¨FCFS
¨最短尋道時間優(yōu)先SSTF
¨掃描算法SCAN（磁盤電梯調度算法）
循環(huán)掃描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法
③掃描算法SCAN（磁盤電梯調度算法）
SSTF會導致“饑餓”現(xiàn)象
¨總選擇最近的磁道訪問，遠磁道請求的進程會長時間得不到執(zhí)行。
改進：
¨考慮距離的同時，更優(yōu)先考慮方向
SCAN算法
¨規(guī)定磁頭移動方向：自里向外，再自外向里移動。
¨后續(xù)的I/O磁道請求，哪個在規(guī)定方向上距離最近，就先執(zhí)行哪個。
¨如當前為100，后續(xù)要求55，86，95，180，165，105
先由內(nèi)向外：選最近的105執(zhí)行，再判斷剩余的，選165，180。
再由外向內(nèi)：95，86，55
循環(huán)掃描CSCAN
SCAN的錯過問題：
¨容易錯過與當前磁道距離近，但方向不一致的磁道。
修改：將SCAN規(guī)定的移動方向改為“單向移動”
¨由里向外后，再由里向外。
N-Step-SCAN
前述最近尋道算法共同問題：
¨“磁臂粘著”——磁頭靜止在一個磁道上，導致其它進程無法及時進行磁盤I/O。（因：高密度盤，進程的讀寫可能集中在某一磁道）
¨如現(xiàn)有一系列請求：
3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪種算法，從3開始向下執(zhí)行會是
3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….
對磁盤的訪問總是由缺頁引起的：
¨CPU給出地址，需要訪問某存儲單元；
¨并行進行TLB查找和cache查找；
¨TLB查找后申明沒有找到；
¨停止并行查找，并通知操作系統(tǒng)處理；
¨操作系統(tǒng)檢查頁表，發(fā)現(xiàn)該頁不在內(nèi)存中，需要從硬盤調入。應該如何進行呢？
磁盤訪問：
1 操作系統(tǒng)從主存中選擇一頁準備換出，為調入的頁安排存放空間；
2 若被換出的頁是“臟”頁，需要將其寫回磁盤存儲；
3 操作系統(tǒng)申請I/O總線；
4 獲得批準后，發(fā)送寫命令給I/O 設備（磁盤）。
5 緊跟著傳送需要寫回的頁的全部數(shù)據(jù)。
6 I/O控制器發(fā)現(xiàn)發(fā)給自己的寫命令
7 加入到握手協(xié)議，并接受數(shù)據(jù)。
8 根據(jù)數(shù)據(jù)要寫入的地址，讀/寫頭移動到正確的柱面，同時，將數(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū)。
9 尋道結束后，等待相應的扇區(qū)旋轉到磁頭下面，將數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)中。?
10 在寫入數(shù)據(jù)間隙，計算校驗碼并寫入扇區(qū)中。
11 下一步，操作系統(tǒng)繼續(xù)申請總線（如果還保持總線控制權，則不必申請）。
12 得到授權后，向磁盤發(fā)出讀命令。?
13 然后，磁盤識別地址，并轉換為相應的地址段。
14 尋道，將讀/寫頭移動到指定位置。
15 從指定扇區(qū)中讀去數(shù)據(jù)，并進行校驗。
16 磁盤申請I/O總線。
17 得到授權后，將數(shù)據(jù)通過總線送到內(nèi)存。
