計算機系統中不同型別的輸入輸出裝置，如何對它們進行管理，使得各種裝置資源能夠得到充分、合理的利用，這是作業系統的一個主要的任務。

1、I/O硬體

電子專業的人關心的是硬體本身，他們看待輸入輸出裝置是由晶片，導線，電源等等組成的一個硬體。

計算機專業的人從作業系統的角度看待輸入輸出裝置，他們關心的是如何對它們進行程式設計。也就是這個硬體接受得控制指令是什麼，完成的功能是什麼，返回結果是什麼等等。

1.1、I/O裝置的型別

裝置的互動物件來分：

• 人機互動物件：視訊顯示器，鍵盤，滑鼠，印表機等
• 與計算機互動的裝置：磁碟，磁帶，感測器等
• 計算機之間的通訊裝置：網絡卡，調變解調器等

裝置的互動方向：

• 輸入裝置：鍵盤，滑鼠，掃描器等
• 輸出裝置：顯示器，印表機等
• 雙向互動裝置：磁碟，網絡卡等

按照資料的組織方式：

• 塊裝置：以資料塊來作為資訊的儲存和傳輸單位，如磁碟
• 字元裝置：以字元來作為資訊的儲存和傳輸單位，資料即位元組流，只能順序訪問。如滑鼠，串列埠，鍵盤等

1.2、裝置控制器（介面卡）

• 僅僅有輸入輸出裝置是不能實現它們的功能的，在輸入和輸出裝置與CPU和記憶體之間還必須有一個對應的控制器。裝置和對應的控制器相互合作才能完成相應的功能。

之所以把兩者分開，而不是合二為一，是因為這樣的話，在設計的時候能夠更加模組化、更加通用。

• 控制器和介面卡的區別：介面卡一般是印刷電路卡的形式，它可以很方便地插入到主機板的擴充槽中。控制器一般是一組晶片，它主要是整合在主機板上或者是I/O裝置內部的。但是介面卡和控制器的功能是一樣的，都是完成裝置與主機之間的連線和通訊。
• 在裝置控制器上通常都有一個插槽，可以用電纜把它和相應的輸入輸出裝置連線起來。在控制器和輸入輸出裝置之間的介面可以定義為一個標準介面。
• 例如：顯示器連線在顯示卡上，顯示卡插在主機板上。其它裝置都有相應的控制器。

1.3、I/O地址

每一種輸入輸出裝置都有一個相應的裝置控制器，裝置與裝置控制器結合起來，才能完成相應的輸入輸出功能。 輸入輸出裝置本身並不能直接跟CPU打交道，而是通過它的設別控制器跟CPU打交道。具體來講，每個裝置控制器裡都有一些暫存器，用於和CPU進行通訊，包括控制暫存器（控制裝置傳送資料，接收資料，開啟或關閉等操作），狀態暫存器（瞭解該裝置的當前狀態，就緒或忙碌）和資料暫存器等等。

但是CPU如何與這些控制暫存器以及資料緩衝區進行通訊呢？

CPU如何訪問它們的內容，解決方法主要有三種：

• I/O獨立編址：給所有裝置控制器中的每一個暫存器分配一個唯一的I/O埠編號，也稱為I/O埠地址，然後用專門的輸入輸出指令來對這些埠進行操作。（IN，OUT指令）
• 記憶體映像編址：把所有裝置控制器中的每一個暫存器都對映為一個記憶體地址，專門用於輸入輸出操作。埠地址空間和記憶體地址空間是統一編址的，總共只有一個地址空間，埠地址空間是記憶體地址空間的一部分，一般位於記憶體地址的高階，而地址低端為普通的記憶體地址。

優點：第一，程式設計方便，不需要專門的輸入輸出指令。第二，對普通記憶體的所有操作指令都可以用於輸入輸出埠。

缺點：第一，不能對控制暫存器的內容進行Cache，必須關閉。因為為了確保每次讀入的都是新值，必須直接去訪問I/O埠。第二，每一次都要判斷訪問的是記憶體還是I/O。

• 混合編址：把兩種編址方法結合起來。對於裝置控制器當中的暫存器來說，採用的是I/O獨立編址的方法，每一個暫存器都有一個獨立的I/O埠地址。但是對於裝置的資料緩衝區來說，採用的是記憶體映像編址的方法，把它們的地址統一到記憶體地址空間中。

根據以上的知識，I/O裝置的型別，裝置控制器以及I/O埠地址，能不能程式設計使用這些裝置，來完成相應的輸入輸出功能？採用I/O控制方式。

2、I/O控制方式

當我們要給一個硬體裝置編寫驅動程式，如何讓它正常地運轉起來，這就需要用到I/O控制方式。I/O控制就是要與I/O裝置的裝置控制器的各種暫存器進行通訊。

當前的I/O控制方式主要有三種：程式迴圈檢測方式（Programmed I/O）、中斷驅動方式（Inerrupt-driven I/O）和直接記憶體訪問方式（Direct Memory Access）。

2.1、程式迴圈檢測方式

程式迴圈檢測方式：在進行I/O操作之前要不斷地檢測該裝置的控制器中的狀態暫存器，看它是否空閒。如果空閒，就向控制器發出一條命令，啟動這次I/O操作。 然後，在這個操作的進行過程中，也要迴圈地檢測裝置的當前狀態，看它是否已經完成。最後，在I/O操作完成之後，如果這是一次輸入操作，那麼就要把讀進來的資料儲存到記憶體中的某個位置。 總之，完成I/O的整個過程中，控制I/O裝置的所有工作都是由CPU來完成的。 缺點：在進行一個I/O操作時，要一直佔用著CPU，這樣就會浪費CPU的時間。

2.2、中斷驅動方式

迴圈檢測的控制方式會佔用大量的CPU時間，為了讓CPU在等待I/O完成的時候去執行其它的程序。我們採用中斷技術，這種方法被稱為是中斷驅動的控制方式。 中斷控制器負責管理系統中的所有的I/O中斷，只有它才能向CPU發出中斷請求。對於I/O裝置，當它需要傳送中斷時，不是直接發給CPU，而是先發給中斷控制器，並由它來決定是否要轉發給CPU。 過程：

• 當一個I/O裝置完成了CPU交給它的任務的時候，它的控制器就會向中斷控制器發出一個訊號，中斷控制器會判斷一下，看看當前是否有一箇中斷正在處理，或者是否有一個優先順序更高的中斷。如果沒有，就開始處理這個中斷。
• 一方面，中斷控制器把一個編號放在地址總線上，這個編號指明是哪一個裝置發出的中斷請求。另一方面，它會向CPU發出一箇中斷訊號。
• 然後，CPU就會中斷當前的工作，並且用這個編號作為索引去訪問一箇中斷向量表。在這個向量表裡存放的是中斷處理程式的起始地址，這樣就能跳轉到該程式執行了，中斷程式是對剛才的I/O操作的繼續執行。
• 當中斷處理程式執行不久後，就向中斷控制器發出一個確認訊號，表示這個中斷已經被處理。這時，中斷控制器就可以發出新的中斷請求了。

2.3直接記憶體訪問方式

• 在中斷驅動方式中，每一次的資料讀寫都是通過CPU來完成的，而且每次處理的資料量很少，因此中斷的次數就很多，中斷需要額外的系統開銷，因此會浪費CPU的時間。
• I/O操作一般分為兩個階段。第一個階段是CPU或記憶體與裝置控制器之間的通訊。第二個階段是裝置控制器與I/O裝置之間的通訊。

如果是一次寫操作，那麼在I/O操作啟動時，CPU需要把資料從記憶體中寫入到裝置控制器內部的緩衝區，然後裝置控制器自己去和I/O裝置打交道，把這些資料寫到裝置上。 如果是一次讀操作，CPU先給控制器發訊號，讓它去啟動I/O操作，把資料讀入到控制器內部的緩衝區中，然後CPU再把這些資料讀入到記憶體中。

每次只能傳送一個位元組或一個字，因此如果交換的資料量比較大，就會浪費大量的CPU時間。解決方法是：採用直接記憶體訪問（Direct Memory Access，DMA）的控制方式，採用硬體的方式來實現I/O資料的移動。

不使用DMA方式，而是使用中斷驅動的控制方式，來實現從磁碟上讀取一個數據塊：

• CPU向磁碟控制器發出命令，讀取一個數據塊。（由CPU執行）
• 磁碟控制器從磁碟驅動器中一位接著一位地讀取這個資料塊，一直到整個資料塊都儲存在控制器內部的緩衝區中。（硬體完成）
• 磁碟控制器通過校驗位來驗證這個資料塊是否傳送正確，如果正確，就向CPU發出一箇中斷。（硬體完成）
• 當作業系統執行一個迴圈，從控制器的資料暫存器中，讀取一個位元組儲存在記憶體中。（由CPU執行）

如果使用DMA控制器硬體來完成第四步，則CPU會省出更多的時間去執行其它的程序。

下面介紹使用DMA控制器以後，從磁碟上讀取一個數據塊的過程：

• CPU對DMA控制器進行程式設計，對它的各個暫存器的值進行設定，告訴它應該把資料傳送到記憶體的什麼地方。然後DMA向磁碟控制器發出命令，讓它從磁碟中讀取資料儲存在自己的資料緩衝區中。
• DMA控制器通過匯流排向磁碟控制器發出一個讀操作的請求訊號，並且把將要寫入的記憶體地址打在總線上。
• 磁碟控制器從內部緩衝區中取出一個位元組，按照DMA控制器給的地址寫入到記憶體中。
• 當這個寫操作完成之後，磁碟控制器讓DMA發出一個確認訊號。然後DMA控制器就會把記憶體地址加1，把需要傳送的位元組數減1，就轉到第二步繼續執行。
• 當所有的資料傳送完畢之後，DMA控制器就向CPU發出一箇中斷，告訴它資料傳輸已經完成。這樣當中斷處理程式開始執行時，它就知道，從磁碟中讀出來的資料塊已經在DMA的控制下，被傳送到了記憶體中。也就是說，當中斷髮生時，這個I/O操作也完成了。