I/O体系结构

I/O系统结构为四级结构：

• 最低级为I/O设备
• 次低级为设备控制器
• 次高级为I/O通道
• 最高级是计算机

I/O通道：设置通道是为了建立独立的I/O操作，以保证CPU有更多的时间去进行数据处理。设置通道后，CPU只需向通道发出一条I/O指令。通道根据该指令，从内存中取出本次要执行的的通道程序并执行，当完成规定的I/O任务后，才向CPU发出中断信 。

I/O控制方法

程序查询方式

• 程序查询方式也称为程序轮询方式，该方式采用用户程序直接控制主机与外部设备之间输入/输出操作。CPU必须不停地循环测试I/O设备的状态端口，当发现设备处于准备好(Ready）状态时，CPU就可以与I/O设备进行数据存取操作。这种方式下的CPU与I/O设备是串行工作的，输入/输出一般以字节或字为单位进行。
• 在程序I/O方式中，CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循测试中，造成对CPU的极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备状态，就是因为在CPU中无中断机构，使I/O设备无法向CPU 告它已经完成了一个字符的输入操作。
• 这种方式频繁地测试I/O设备，I/O设备的速度相对来说又很慢，极大地降低了CPU的处理效率，并且仅仅依靠测试设备状态位来进行数据传送，不能及时发现传输中的硬件错误。
• 但是这种方式的过程很简单，易理解，并且不需要额外硬件。

中断驱动方式

当I/O设备结束（完成、特殊或异常）时，就会向CPU发出中断请求信 ，CPU收到信 就可以采取相应措施。当某个进程要启动某个设备时，CPU就向相应的设备控制器发出一条设备I/O启动指令，然后CPU又返回做原来的工作。CPU与I/O设备可以并行工作，与程序查询方式相比，大大提高了CPU利用率。

• 但是在中断方式下，同程序查询方式一样，也是以字节或字为单位进行。
• 但是该方法大大降低了CPU的效率，因为当中断发生的非常频繁的时候，系统需要进行频繁的中断源识别、保护现场、中断处理、恢复现场。这种方法对于以“块”为存取单位的块设备，效率是低下的。

DMA（直接内存存取）方式

DMA方式也称为直接主存存取方式，其思想是：
允许主存储器和I/O设备之间通过“DMA控制器（DMAC）”直接进行批量数据交换，除了在数据传输开始和结束时，整个过程无需CPU的干预。每传输一个“块”数据只需要占用一个主存周期。

缓冲管理

引入缓冲区的原因

1. 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
2. 减少对CPU的中断频率
3. 解决数据粒度（数据单元大小）不匹配的问题
4. 提高CPU和I/O设备之间的并行性

单缓冲区

环形缓冲区

I/O软件

实现方法

1.静态分配：一次性分配所有该作业所要求的全部设备与控制器直至作业被撤销，无死锁，但效率低。
2.动态分配：系统调用命令向系统提出设备请求，一旦用完便立即释放，利用率高，但可能会产生死锁。