IO设备
IO设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接受计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件设备。
IO设备的分类
按使用特性
人机交互类外部设备。例如鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互
存储设备。例移动硬盘、光盘等——用于数据存储
网络通信设备。调制解调器等——用于网络通信
按传输速率
低速设备。例如鼠标、键盘等——传输速率为每秒几个到几百字节。
中速设备。如激光打印机等——传输速率为每秒数千至上万个字节。
高速设备。如硬盘等——传输速率为每秒数千字节至千兆字节。
按信息交换的单位分类
块设备。传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块，如磁盘等。
字符设备。传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式，如鼠标、键盘等。
IO控制方式
程序直接控制方式
从计算机外部设备读取的每个字，CPU需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在IO控制器的数据寄存器中。
优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可。
缺点：CPU和IO设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。
中断驱动方式
引入中断机制。由于IO设备速度要远慢于CPU速度，因此在CPU发出读写命令后，可将等待IO的进程阻塞，先切换到别的进程指向。当IO完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程运行环境，转去执行中断处理程序处理该中断。
优点：与程序直接控制方式相比，在中断驱动方式中，IO控制器会通过中断信号主动报告IO已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和IO设备可以并行工作，CPU利用率得到明显提升。
缺点：每个字在IO设备与内存之间的传输，都需要经过CPU，而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。
DMA方式
DMA（Direct Memory Access，直接存储器存取）方式主要用于块设备的IO控制，对于中断驱动方式有以下几点改进：
- 数据的传输单位是“块”，一次可以传输多个字。
- 数据的流向是从设备直接放入内存，或从内存直接到设备，无需经历CPU中转。
DMA方式中会从IO中读入的数据线存入到DR（数据寄存器）中，然后再根据MAR（内存地址寄存器）来将IO读入的数据放到内存相应地址中。
优点：传输以块为单位，CPU介入频率进一步降低。数据传输效率进一步增加。CPU和IO设备的并行性得到提升。
缺点：CPU每发出一条IO指令，只能读写一个或多个连续的数据块。
SPOOLing技术（假脱机技术）
假脱机技术是为了缓和CPU的高速性和IO设备低速性之间的矛盾，该技术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。
系统会在磁盘开辟出输入井和输出井两个存储区域。
“输入井”模拟脱机输入时的磁带，用于收容IO设备输入的数据，“输出井”模拟脱机输出时的磁带，用于收容用户进程输出的数据。
然后通过内存的输入缓冲区和输出缓冲区作为中转，来实现磁盘与输入输出设备的交互。
SPOOLing技术是必须要有多道程序技术的支持，系统会建立输入进程和输出进程。
缓冲区管理
缓冲区是一个存储区域，是用于缓和CPU与IO设备之间速度不匹配的矛盾，减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断相应时间的限制，解决数据粒度不匹配的问题，并提高CPU与IO之间的并行性。
缓冲区的实现方法：
- 采用硬件缓冲区，用一个寄存器或其他部件来作为数据间的缓冲区，但由于成本太高，一般不建议采用硬件缓冲区。
- 采用内存缓冲区。将内存一部分空间作为缓冲区使用。
根据系统设置缓冲器的个数，缓冲技术可以分为以下几种：
单缓冲
操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区。当设备和处理机交换数据时，会先将数据写入缓冲区，然后需要数据的设备或处理机从缓冲区取走数据，在缓冲区写入或取出时，其他需要使用的设备要等待。
采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时为Max(输入时间，处理时间)+传送时间。
双缓冲
采用双缓冲策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区。
若假设初始状态为：工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空
假设输入时间<处理时间+传送时间
由此可得处理一块数据所消耗的时间，只有当回到初始状态才算数据处理完成，所以首先会经历M传送时间，然后再经历C处理时间，同步地再从工作区读入一块数据，输入时间为T，由于输入时间<处理时间+传送时间，所以处理一块数据所消耗的时间为T。
循环缓冲区
循环缓冲区是将内存中多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。
磁盘与固态硬盘
磁盘就是由表面涂有磁性物质的物理盘片，通过一个称为磁头的导体线圈从磁盘存取数据。
磁盘进行读写操作时，磁头固定，磁盘再下面高速旋转。
由上图可得，可以通过柱面号，盘面号，扇区号来定位任意一个“磁盘块”。在“文件的物理结构”中存放在外存中的几号块，就可以转换成柱面号，盘面号，扇区号的地址形式。
磁盘按不同的形式可分为若干类型：
磁头相对于盘片的径向方向固定的称为固定头磁盘，每个磁道对应一个磁头。（磁头不可移动）
磁头可移动的，称为活动头磁盘，磁头臂可来回伸缩定位磁道；
磁盘永久固定在磁盘驱动器内的，称为固定盘磁盘；
可移动和替换的，称为可换盘磁盘。
磁盘调度算法
磁盘调度算法了解前需要知道相关判断算法好坏的指标：
寻找时间（寻道时间）$T_s$：在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间。
延迟时间$T_R$：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间，设磁盘转速为r（单位：转/秒），则平均所需的延迟时间
$$
T_R=(1/2)*(1/r)=1/2r
$$传输时间$T_t$：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为r，此次读写的字节数为b，每个磁道上的字节数为N，则传输时间
$$
T_t=\frac{1}{r}*\frac{b}{N}=\frac{b}{rN}
$$
先来先服务算法（FCFS）
根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
假设磁头初始位置是100号磁道
55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道陆续来访问，
根据FCFS的规则，根据请求到达的顺序来响应。
最短寻找时间优先（SSTF）
SSTF会优先处理磁道是与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻道时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短。
假设磁头初始位置是100号磁道
55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道陆续来访问，
根据SSTF的规则，根据离磁头初始位置最近的磁道来响应。
扫描算法（SCAN）
扫描算法规定只要磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。也称电梯算法。
假设某磁盘的磁道为0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问
55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道
LOOK调度算法
LOOK调度算法在如果磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向。
假设某磁盘的磁道为0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问
55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道
循环扫描算法（C-SCAN）
C-SCAN算法规定只要磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求。
假设某磁盘的磁道为0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问
55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道
C-LOOK调度算法
C-LOOK调度算法主要是用于解决C-SCAN算法需要到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向的缺点，用C-LOOK算法如果磁头移动的方向上已经没有磁道访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且磁头只需要返回到有磁道访问请求的位置即可。
假设某磁盘的磁道为0~200号，磁头的初始位置是100号磁道，且此时磁头正在往磁道号增大的方向移动，有多个进程先后陆续地请求访问
55、58、39、18、90、160、150、38、184号磁道
