I/O子系统架构：
为了快速的全面的了解I/O子系统操作，我们使用一个把数据写入磁盘的例子。当执行向磁盘写入数据操作的时候，会发生如下的一系列基本操作。假设文件数据存在于磁盘扇区上，并且已经被读入到页缓存中。
- 进程使用write()系统调用写入文件。
- 内核更新映射到文件的page cache。
- 内核线程pdflush负责把页缓存刷入到磁盘中。
- 文件系统层把各个块缓存放入一个bio结构，并且提交一个写入到块设备层的请求。
- 块设备层从上层获得请求，执行I/O elevator操作，把请求放入到I/O请求队列中。
- 磁盘驱动，例如SCSI或其它特定驱动将会负责写操作。
- 磁盘驱动固件执行硬件操作，例如寻址、旋转、数据传送到磁盘的扇区。
I/O 硬件
块I/O基本概念
字符设备：按照字符流的方式被有序访问的设备。如串口、键盘等。
块设备：系统中不能随机（不需要按顺序）访问固定大小的数据片（chunk 块）的设备。
如：硬盘、软盘、CD-ROM驱动器、闪存等。都是通过以安装文件系统的方式使用。
块设备的组成：
- 扇区：是块设备中最小的可寻址单元（常见大小512字节）；是块设备的基本寻址和操作单元。
- 块：是文件系统最小逻辑可寻址单元，文件系统的抽象，只能通过块访问文件系统。通常包含多个扇区。当一个块被调入内存时（读入后或等待写出时），它要存储在一个缓冲区中；每个缓冲区与一个块对应，缓冲区相当于是磁盘块在内存中的表示；块大小不超过一个页面，一个页可以容纳一个或多个内存中的块。
缓冲区：是内核操作块设备的逻辑单元，每个缓冲区需要一个描述符来表示块的控相关制信息。
数据结构：缓冲区头buffer_head，虽然不用于I/O操作，但是它负责描述磁盘块到页面的映射；
内核操作I/O块基本容器是：bio。操作内核中所有的缓冲区对应的I/O块。
请求队列：块设备将他们挂起的块I/O请求保存在请求队列中。
I/O控制器
I/O设备的机械部件主要执行具体的I/O操作。 CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的中介，用于实现CPU对设备的控制。这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制机械部件。
I/O控制器的组成
I/O 控制器由下面三个部分组成：CPU与控制器的接口、I/O逻辑、控制器与设备的接口；
数据寄存器：记录主机可读或者写入的数据
控制寄存器：可以被主机发布命令或改变设备状态
状态寄存器：记录主机可读的位置信息
I/O控制器的功能
- 接受和识别CPU发出的命令：CPU可以控制I/O控制器，所以I/O控制器肯定要能接受并识别CPU的命令。如CPU发来的read/write命令。I/O控制器会有相应的控制寄存器来存放命令参数。
- 向CPU报告设备的状态：I/O控制器会有相应的状态寄存器，用于记录I/O设备当前的状态。如1表示空闲，0表示忙碌。
- 数据交换：I/O控制器作为机械部件和CPU的中介，需要实现两者的数据交换。I/O控制器中会设置相应的数据寄存器，输出时，数据寄存器用于暂存CPU发出的数据，之后再由控制器传动设备。输入时，数据寄存器用于暂存
- 地址识别：类似于内存地址，为了区分上面提到的各个寄存器，也需要给各个寄存器设定一个特定的地址。I/O控制器通过CPU提供的地址来判断CPU要读/写哪个寄存器。
I/O 地址
I/O地址：控制寄存器地址
编址方式：
I/O独立编址：使用独立的I/O指令，如IN、OUT;
内存映射编址memory map：划出一块内存地址，将I/O端口地址映射进来，这样就可以使用访问内存指令对控制器进行读写。
I/O控制方式
轮询方式的I/O操作，是最早期的计算机系统对I/O设备的一种管理方式。
1、程序直接控制方式
2、中断驱动方式
3、DMA(Directly memory access)直接内存访问访问
4、通道控制方式
内核I/O结构
内核I/O结构包括I/O硬件和I/O软件两个部分，I/O软件的设计目标主要体现在：
- 高效率(efficiency)：通过一些手段提高I/O设备的访问效率。
- 通用性(generality)：屏蔽硬件细节，让用户使用统一的接口方便地使用不同的硬件。
内核I/O结构图
设备驱动层
设备驱动层通过隐藏设备控制器之间的差异使I/O子系统独立于硬件。
I/O请求生命周期：
- 若干服务——调度、缓冲、缓存、假脱机、设备预留和错误处理是由内核的I/O子系统提供，并构建在硬件和设备驱动基础设施上。
- I/O子系统还负责保护自己不受错误进程和恶意用户的影响。
缓冲buffering：主要用于处理数据流的生产者和消费者速度不匹配的问题。
缓存cacheing：
假脱机：是一种缓冲区，为不能接受交错数据流的设备(如打印机)保存输出。尽管一台打印机一次只能服务于一个作业，但是多个应用程序可能希望同时打印它们的输出，而不是将它们的输出混合在一起。
假脱机spooling(spool:Simultaneous peripheral operations on-line):用磁盘做缓冲，将需要打印的存储成文件，顺序排列，看成并发的打印、其实没放到打印机，实际上放到磁盘中，磁盘当作缓冲区。
缓冲与缓存的区别：
缓冲和缓存之间的区别在于，缓冲可能保存数据项的唯一现有副本，而缓存，根据定义，保存位于其他地方的数据项的更快存储副本。
