1. 设备的分类#

I/O设备是指能够向计算机输入数据或接收其输出数据的外部设备。I/O设备类型多样，可从不同角度进行分类。

2. I/O接口#

I/O接口(也称设备控制器)是CPU与设备之间的“桥梁”，用于实现计算机与设备之间的数据交换。它接收CPU发出的命令，控制设备工作，使CPU得以从烦琐的设备控制事务中解脱出来。设备控制器主要由如下三部分组成。

1. 设备控制器与CPU的接口。用于实现CPU与设备控制器之间的通信。该接口包括三类信号线：数据线、地址线和控制线。数据线用于传输读/写数据、控制和状态信息；地址线用于指定I/O接口中的寄存器编号；控制线用于传送读/写等控制信号。
2. 设备控制器与设备的接口。一个设备控制器可连接一个或多个设备，因此内部包含一个或多个设备接口。每个接口均可传输数据、控制和状态三类信号。
3. I/O逻辑。用于实现对设备的控制。它通过控制线与CPU交互，对接收的I/O命令进行译码，并依据目标地址识别相应设备。CPU启动设备时，向控制器发送启动命令及目标地址，由I/O逻辑完成解析并控制指定的设备。

设备控制器的主要功能有：

1. 接收并识别命令，例如磁盘控制器可响应CPU发出的读、写、寻道等命令；
2. 完成数据交换，包括CPU与控制器之间以及控制器与设备之间的数据传输；
3. 标识并报告设备状态，供CPU查询与处理；
4. 地址识别；
5. 数据缓冲；
6. 差错控制。

以磁盘控制器为例：当它接收到一条读命令(如“读取第11408个扇区”)后，会自动将线性扇区号转换为对应的柱面号、盘面号和扇区号，并控制磁头定位、等待旋转延迟、读取数据，最终将数据可靠地传送到内存。操作系统只需发出命令，而无须关心底层硬件的具体实现细节。

3. I/O接口的类型#

从不同角度看，I/O接口可分为以下类型。

1. 按数据传送方式(设备与接口一侧)，可分为并行接口(一个字节或一个字的所有位同时传送)和串行接口(一位一位地有序传送)，接口需完成相应的并/串或串/并格式转换。
2. 按主机访问设备的控制方式，可分为程序查询接口、中断接口和DMA接口等。
3. 按功能灵活性，可分为可编程接口(通过编程改变接口功能)和不可编程接口。
4. 按设备类型的不同，可分为字符设备接口、块设备接口和网络设备接口。

4. I/O端口#

I/O端口是指设备控制器中可被CPU访问的寄存器，主要包括以下三类：

• 数据寄存器：缓存从设备送来的输入数据，或暂存CPU发出的输出数据。
• 状态寄存器：保存设备的状态或执行结果，供CPU读取。
• 控制寄存器：由CPU写入，用于启动操作或设置设备的工作模式。

为使CPU能够访问I/O端口，必须对各端口进行编址，每个端口对应一个唯一的端口地址。常见的编址方式主要有独立编址和统一编址两种。

1. 程序直接控制方式#

CPU对I/O 设备的控制采取轮询的I/O方式，也称程序轮询方式。CPU向设备控制器发出一条I/O指令，从I/O设备读取一个字(节)，然后不断地循环测试设备状态(称为轮询)，直到确定该字(节)已在设备控制器的数据寄存器中。于是CPU将数据寄存器中的数据取出，送入内存的指定单元，这样便完成了一个字(节)的I/O操作。

这种方式简单且易于实现，但缺点也很明显。CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备状态的循环测试中，CPU和I/O设备只能串行工作，由于CPU和I/O设备的速度差异很大，导致CPU的利用率相当低。而CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为在CPU中未采用中断机制，使I/O设备无法向CPU报告它已完成了一个字(节)的输入操作。

2. 中断驱动方式#

中断驱动方式的思想是允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU，使得CPU向设备控制器发出一条I/O指令后可以继续做其他有用的工作。如图5.3(b)所示，我们从设备控制器和CPU两个角度分别来看中断驱动方式的工作过程。

从设备控制器的角度来看：设备控制器从CPU接收一个读命令，然后从设备读数据。一旦数据读入设备控制器的数据寄存器，便通过控制线向CPU发出中断信号，表示数据已准备好，然后等待CPU请求该数据。设备控制器收到CPU发出的取数据请求后，将数据放到数据总线上，传到CPU的寄存器中。至此，本次I/O操作完成，设备控制器又可开始下一次I/O操作。

从CPU的角度来看：当前运行进程发出读命令，该进程将被阻塞，然后保存该进程的上下文，转去执行其他程序。在每个指令周期的末尾，CPU检查中断信号。当有来自设备控制器的中断时，CPU保存当前运行进程的上下文，转去执行中断处理程序以处理该中断请求。中断处理程序从设备控制器的数据寄存器中读取一个字节(或字)，并将其写入内核的缓冲区。处理完成后，系统解除原I/O请求进程的阻塞状态，并恢复相应进程的上下文以继续执行。

相比于程序轮询I/O方式，在中断驱动I/O方式中，设备控制器通过中断主动向CPU报告I/O操作已完成，不再需要轮询，在设备准备数据期间，CPU和设备并行工作，CPU的利用率得到明显提升。但是，中断驱动方式仍有两个明显的问题：

1. 设备与内存之间的数据交换都必须经过CPU中的寄存器；
2. CPU是以字(节)为单位进行干预的，若将这种方式用于块设备的I/O操作，则显然是极其低效的。

因此，中断驱动I/O方式的速度仍然受限。

3. DMA方式#

DMA(直接存储器存取)方式的核心思想是在I/O设备与内存之间建立直接数据通路，彻底“解放”CPU。其特点如下：

1. 基本传送单位是数据块，而不再是字(节)。
2. 数据直接在设备与内存之间传输，而不再经过CPU。
3. 仅在数据块传送开始和结束时需要CPU干预。

为实现设备与内存之间直接交换成块的数据，DMA控制器需包含以下四类寄存器：

1. 命令/状态寄存器(CR)。暂存CPU发来的I/O命令或设备状态。
2. 内存地址寄存器(MAR)。存放数据在内存中的起始地址。输入时(设备→内存)，表示数据要写入内存的目标地址；输出时(内存→设备)，表示数据从内存读取的源地址。
3. 数据寄存器(DR)。暂存单次传输的数据单元(如一个字)。
4. 数据计数器(DC)。记录本次需传送的字(节)总数。

DMA方式的工作过程如下：CPU收到设备的DMA请求后，向DMA控制器发送启动命令，并设置MAR和DC的初值，随后启动DMA控制器。接着，CPU将I/O控制权交予DMA控制器，转而执行其他任务。DMA控制器接管总线后，以突发方式将整块数据在设备与内存之间直接传输，无须CPU干预。传输结束后，DMA控制器向CPU发送中断信号，通知操作完成。因此，CPU仅在数据传送的开始和结束阶段介入。

DMA方式的优点：数据以“块”为单位传输，相比中断方式，CPU干预频率进一步降低；数据也不再经过CPU寄存器，CPU与设备的并行程度进一步提升。

*4. 通道控制方式#

I/O通道是一种专用处理机，能够执行存放在主存中的通道程序(由一系列专用通道指令组成)。设置通道后，CPU仅需向通道发送一条I/O指令，指明目标设备及通道程序在内存中的起始地址。通道收到该指令后，便自主执行通道程序，完成全部I/O操作，并在结束后向CPU发出中断请求。由此，CPU、通道与I/O设备可高效并行工作，显著提升系统资源利用率。

通道与通用处理机的区别：通道的指令集专用于I/O控制，功能单一；它不具备独立的主存储器，其通道程序和数据均存放在主机内存中，且所有访存操作均受CPU控制。

通道与DMA方式的区别：DMA需由CPU预设数据块大小、内存始址等参数；而通道通过执行程序动态确定参数，能自主完成涉及多台设备、多个阶段的复杂I/O任务。此外，每个DMA控制器通常仅服务于一台设备，而一个通道可同时管理多台设备与内存之间的数据交换。

每种方式的优点都在于解决了前一种方式的主要缺点。总体而言，I/O控制方式的发展过程，就是要尽量减少CPU对I/O过程的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事务中解脱出来。

下面通过一个形象的例子总结这几种I/O方式。想象一位客户要去裁缝店定制一批衣服的情形。采用程序直接控制方式时，裁缝没有客户的联系方式，客户只能每隔一段时间亲自去店里查看衣服是否做好，白白浪费大量时间。采用中断驱动方式时，裁缝有了客户的联系方式，每做完一件衣服就打电话通知客户来取，相比轮询方式，客户省去了反复跑腿的麻烦，但每件衣服都要跑一趟，依然效率不高。采用DMA方式时，客户花钱雇了一位秘书，并交代好：所有衣服先暂存在指定仓库，裁缝直接与秘书对接，由秘书负责取回衣服并入库，每处理完100件衣服，秘书才向客户汇报一次，从而大幅节省了客户的时间。采用通道方式时，客户交给秘书一份详细的办事清单(通道程序)，秘书不仅能自主决定衣服存放的位置，还能根据清单灵活安排汇报时机。例如，是每完成100件还是10000件再通知客户，均由秘书自行判断。此外，一位DMA类秘书通常只能对接一位裁缝，而通道类秘书则可同时协调多位裁缝的工作。

1. 用户层软件#

实现与用户的交互接口。用户可直接调用用户层提供的I/O库函数(如与I/O操作相关的标准库函数)对设备进行操作。通常，大部分I/O软件位于操作系统内核，但仍有一小部分驻留在用户层，例如与用户程序链接的库函数。用户层I/O软件必须通过系统调用获取操作系统服务。

2. 设备独立性软件#

设备独立性(也称设备无关性)是指应用程序在使用I/O设备时，无须依赖具体的物理设备。为实现这一特性，系统引入了逻辑设备与物理设备的概念：应用程序使用逻辑设备名请求某类设备；系统在运行时，必须将逻辑设备名映射为实际的物理设备名。

使用逻辑设备名的优势在于：

1. 提高设备分配的灵活性；
2. 易于实现I/O重定向，I/O重定向是指用于I/O操作的设备可以更换(重定向)，而不必修改应用程序。

为实现设备独立性，需在设备驱动程序之上设置一层设备独立性软件。该层的主要功能包括以下两个方面：

1. 执行所有设备的公共操作，包括设备的分配与回收、逻辑设备名到物理设备名的映射、设备保护(禁止用户直接访问硬件)、缓冲管理、差错控制，以及提供统一大小的逻辑块，以屏蔽不同设备在信息交换单位和传输速率上的差异；
2. 向用户层(或文件系统)提供统一的接口。通过这一层抽象，无论底层设备类型如何，应用程序均可使用统一的系统调用(如read/write)进行访问，显著增强了系统的可移植性与可维护性。

3. 设备驱动程序#

设备驱动程序与硬件直接相关，每类设备都需要配置一个专用的驱动程序。它作为I/O子系统与设备控制器之间的通信桥梁，向上层提供统一的操作接口，屏蔽不同设备控制器的差异。驱动程序的主要任务是：接收上层软件(如设备独立性层)发出的抽象I/O请求(例如read或write命令)，将其转换为设备控制器能够识别的具体指令，启动设备执行相应操作，并将设备控制器返回的状态信息或数据传递回上层。其工作流程通常包括如下操作。

1. 将抽象请求转换为具体操作。上层请求通常是逻辑性的(如“读取逻辑块5”)，而设备控制器只能处理物理操作。驱动程序根据设备特性，将逻辑地址转换为物理参数。例如，磁盘驱动程序会将逻辑扇区号转换为柱面号、盘面号和扇区号。
2. 校验请求的合法性。驱动程序检查操作是否允许。例如，禁止从只写设备(如打印机)读取数据，或向以只读方式打开的设备写入。若请求非法，则向上层返回错误。
3. 检查设备状态。在启动I/O前，驱动程序读取设备控制器的状态寄存器，确认设备是否就绪。例如，写操作要求设备处于“接收就绪”状态；否则，进程需要等待。
4. 传递参数。设备就绪后，驱动程序向控制器的相应寄存器写入命令、数据缓冲区地址、传输长度等参数。对于磁盘等复杂设备，所需传递的参数更多。
5. 启动设备并处理后续。参数设置完成后，驱动程序向命令寄存器发送启动信号，设备开始工作。在多道程序系统中，当前进程随即被阻塞，CPU转去执行其他就绪进程，实现与I/O设备的并行；设备完成操作并发出中断后，由中断处理程序将其唤醒。

此外，驱动程序还负责设备的初始化、状态维护、错误处理以及与中断处理的配合，通过封装底层硬件细节，使上层软件无须了解设备的具体实现，即可使用统一接口访问各类I/O设备。

4. 中断处理程序#

当I/O操作完成时，设备控制器发出中断信号。CPU在执行完当前指令后响应中断，暂停当前进程，转去执行相应的中断处理程序；处理完毕后，再恢复原进程执行。整个过程如下。

1. 检测并响应中断。设备完成一个数据单位(如字符或数据块)传输后，其控制器发出中断请求。CPU在指令周期末检测到中断信号时，即暂停当前进程，准备转入中断处理。
2. 保护被中断进程的CPU现场。硬件自动将程序计数器(PC)和程序状态字(PSW)压入中断栈；随后，操作系统软件将其他CPU寄存器内容也保存至该栈。
3. 转入相应设备的中断处理程序。CPU识别中断源，并跳转至对应设备的中断处理程序。
4. 处理中断。程序读取设备控制器的状态寄存器，判断操作是否正常完成：若成功，则将设备数据寄存器中的内容传送到内存缓冲区；若异常，则进行错误处理。
5. 恢复现场并返回。中断处理完成后，系统从中断栈恢复所有寄存器内容，CPU从被中断指令的下一条继续执行原进程。

为确保上述流程可靠运行，操作系统还需对中断处理程序本身进行管理，主要包括三个环节。

1. 注册中断。驱动程序初始化时，需要向内核注册中断号及其处理函数入口地址，以建立硬件中断信号与服务代码之间的映射，确保中断发生时内核能准确调用相应处理例程。
2. 处理中断。中断处理程序的典型流程：
   1. 确认中断是否由本设备产生；
   2. 清除控制器中的中断标志，防止重复触发；
   3. 执行必要的硬件操作，如读/写数据。由于运行在中断上下文中，处理程序必须快速、非阻塞，不得调用可能引起进程睡眠或调度的函数。
3. 注销中断。当驱动程序被卸载或设备停用时，需要注销其中断处理程序以释放资源。若该中断请求线为独占，则注销后内核立即禁用该线；若该中断请求线为共享，则仅移除本设备的处理例程，该中断线需要等到所有关联设备均注销后，才会被最终禁用。

5. I/O操作举例#

类似于文件系统的层次结构，I/O子系统的层次结构也是需要掌握的重要内容，但不应死记硬背。为帮助读者理解，下面通过用户发起的一次write请求来说明各层的功能：

1. 当用户要向某设备写入数据时，通过操作系统提供的write命令接口发起请求，该请求首先进入用户层软件。
2. 操作系统向上层提供的是统一的通用接口，即大多数设备都支持的标准命令，用户发出的write 请求首先由设备独立性层解析，然后传递给下一层。
3. 不同类型设备对 write 命令的处理方式不同(如磁盘与打印机的行为差异显著)，因此需由设备驱动层将通用的 write命令转换为设备特定的指令。
4. 驱动程序将指令发送给设备控制器，启动实际的写操作；操作完成后，控制器向CPU发出中断信号，由中断处理程序响应。
5. 中断处理程序确认写操作完成，清除中断标志，唤醒等待该操作的进程，并将结果逐层返回至用户程序，完成整个写操作。

上面从理论上说明了I/O请求在各层次间的传递过程。下面结合 Linux系统中一次 write系统调用的实际执行流程，具体分析各层如何协作以及CPU状态如何切换。

该流程始于用户空间对库函数的调用。用户程序调用 printf() 后，经标准库内部封装，最终触发 write 系统调用的封装函数。该函数生成的机器指令序列中包含一条陷阱指令(如IA-32架构下的 int $0x80)。在执行该指令之前，若干传送指令会将系统调用号及I/O参数(如文件描述符、缓冲区地址、字节数)写入指定寄存器(如eax)。CPU执行陷阱指令后，产生一个受控的软中断，硬件自动完成从用户态到内核态的模式切换，并将控制权移交给操作系统内核。

进入内核态后，CPU跳转至系统调用的统一入口程序 system_call()。该程序根据寄存器 eax中的系统调用号，通过跳转表将请求分派给对应的系统调用服务例程 sys_write()。sys_write() 首先执行与设备无关的公共操作，如参数合法性检查、内核缓冲区分配与管理等。随后，它根据参数(如文件描述符)定位目标设备，并调用对应的设备驱动程序。

设备驱动程序作为直接与设备控制器交互的模块，负责将抽象的I/O请求转换为设备可识别的具体命令。它初始化I/O接口、设置传输参数，并启动设备进行数据传输。随后，通常将当前进程置为阻塞态，并主动调用调度程序让出CPU，以便其他就绪进程运行。

传输完成后，设备控制器向CPU发出中断请求。CPU响应中断，暂停当前执行流，转入预设的中断服务程序。该程序读取设备状态，确认写操作是否成功，清除中断标志，并唤醒等待I/O的进程。中断处理完毕后，内核沿调用栈逐级返回。最终，在 system_call() 末尾通过执行 iret 等特权指令，CPU切换回用户态，并在用户空间中陷阱指令的下一条指令处恢复执行。

一次完整的I/O请求依次穿越了用户层软件、系统调用接口、设备独立性软件、设备驱动程序和中断处理程序，其中，陷阱指令是从用户态进入内核态的唯一合法入口，中断是设备通知操作完成、触发进程状态转换的核心机制。二者共同实现了用户态与内核态之间的安全切换。

1. I/O接口的分类#

操作系统将物理设备抽象为三种通用类型：字符设备、块设备和网络设备，并为每类设备提供标准的接口。设备间的具体差异由相应的驱动程序封装。下面分别介绍这三类设备接口。

2. 阻塞I/O和非阻塞I/O#

操作系统的I/O接口还支持两种执行模式：阻塞与非阻塞。

阻塞I/O是多数操作系统默认采用的模式，原因是其编程模型简单、逻辑直观。当进程发起I/O请求时，若所请求的数据尚未就绪，则该进程立即被阻塞，并移入相应的等待队列；此后，进程无法执行任何其他任务，只能等待底层设备完成实际的数据传输。I/O操作完成后，内核将该进程移回就绪队列。当其再次获得CPU时，系统调用返回操作结果，进程继续后续处理。例如，你去咖啡店点单后，由于无法预知咖啡何时做好，只能原地等待，其间无法做其他事情。

优点：实现简单，适用于顺序处理或低并发场景。 缺点：I/O等待期间进程完全阻塞，CPU资源闲置，系统整体利用率较低。

非阻塞I/O是指当进程发起I/O请求时，内核不会阻塞该进程，而使系统调用立即返回。若数据尚未就绪，则调用将返回一个表示“暂无数据”的错误状态(如返回-1)；进程可据此继续执行其他任务，并在时机适当时重试该操作。当某次重试时数据已就绪时，内核便将数据从内核缓冲区复制到用户空间，并返回实际成功传输的字节数。例如，吸取上次的教训，你在咖啡店点单后去逛商场，每隔一段时间回来询问“好了吗？”，其间可自由安排其他活动。

优点：进程在I/O等待期间不被阻塞，可执行其他任务，适合高并发或高响应性应用。 缺点：采用轮询方式频繁检查I/O状态，浪费CPU资源。