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一. 什么是IO设备
“
I/O
” 就是 “输入
/
输出”（
Input/Output
）
I/O
” 就是 “输入
/
输出”（
Input/Output
）
I/O
设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件部件。
设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件部件。
UNIX
系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。
系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。
二. IO设备分类
2.1按照使用特性分类
2.2按照传输速率分配
2.3按照信息交换的单位分类
（1）字符设备。以字符为单位向主机发送或从主机接收一个字符流的设备，无法对其进行定位和寻址。通常大部分输入设备和输出设备都可以看作是一种字符设备。如键盘、鼠标、显示器、打印机等。
（2）块设备。以一个固定大小的数据块为单位与主机交换信息，比如外部存储器，硬盘、SSD、光盘驱动器等。每个数据块有唯一的位置信息，可寻址。
三. IO设备的构成
I/O设备通常由机械部分和电子部分组成，机械部分是I/O设备本身，电子部分称为“设备控制器”或“I/O控制器”。I/O设备又称外围设备、外部设备，简称外设。
3.1 IO的机械部件
3.2 IO的电子部件
3.2.1设备控制器（IO控制器功能简介）
I/O
设备的
电子部件
通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。
设备的
电子部件
通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。
CPU
无法直接控制
I/O
设备的机械部件，因此
I/O
设备还要有一个电子部件作为
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。
无法直接控制
I/O
设备的机械部件，因此
I/O
设备还要有一个电子部件作为
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
控制器来控制设备
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
控制器来控制设备
的机械部件。
主要功能：控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换
设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作
设备控制器是一个可编址的设备：
- 当仅控制一个设备时，它只有一个唯一的设备地址
- 若控制器可连接多个设备时，则应含有多个设备地址，并使每一个设备地址对应一个设备
3.2.2设备控制器（IO控制器）组成
设备控制器的一般结构（不同I/O模块在复杂性和控制外设的数量上相差很大）：
状态：IO设备反馈状态
控制：控制器向IO设备发出信息
控制器与设备的接口：用于实现控制器与设备之间的通信I/O逻辑 ：负责接收和识别CPU的各种命令（如地址译码），并负责对设备发出命令CPU与控制器的接口：用于实现CPU与控制器之间的通信。CPU通过控制线发出命令；通过地址线指明要操作的设备；通过数据线来取出（输入）数据，或放入（输出）数据
值得注意的小细节：
①一个
I/O
控制器可能会对应多个设备；
I/O
控制器可能会对应多个设备；
②数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制
/
状态寄存器对应一个具体
/
状态寄存器对应一个具体
的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便
CPU
操作。有的计算机会让这些寄存器占
CPU
操作。有的计算机会让这些寄存器占
用内存地址的一部分，称为
内存映像
I/O
；另一些计算机则采用
I/O
专用地址，即
寄存器独立编址。
内存映像
I/O
；另一些计算机则采用
I/O
专用地址，即
寄存器独立编址。
四. IO设备与计算机交互
4.1 程序直接控制交互
流程图：
4.2加入中断（4.1的改进版）
引入
中断机制
。由于
I/O
设备速度很慢，因此在
CPU
发出读
/
写命令后，可
将等待
I/O
的进程阻塞
，先切换到别的进程执行。当
I/O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
，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU
从
I/O
控制器读一个字的数据传送到CPU
寄存器，再写入主存。接着，
CPU
恢复等待
I/O
的进
中断机制
。由于
I/O
设备速度很慢，因此在
CPU
发出读
/
写命令后，可
将等待
I/O
的进程阻塞
，先切换到别的进程执行。当
I/O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
，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU
从
I/O
控制器读一个字的数据传送到CPU
寄存器，再写入主存。接着，
CPU
恢复等待
I/O
的进
程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行
。
。
注意：
①CPU会在每个指令周期的末尾检查中断；
②中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。
流程图：
4.3DMA方式（4.2的改进版）
与“中断驱动方式”相比，
DMA
方式
（
Direct Memory Access
，
直接存储器存取
。主要用于块设备的
DMA
方式
（
Direct Memory Access
，
直接存储器存取
。主要用于块设备的
I/O
控制）有这样几个改进：
控制）有这样几个改进：
①
数据的传送单位是“块”
。不再是一个字、一个字的传送；
数据的传送单位是“块”
。不再是一个字、一个字的传送；
②数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。不再需要
CPU
作为“快递小哥”。
CPU
作为“快递小哥”。
③仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要
CPU
干预。
CPU
干预。
DMA工作过程：
流程图：
优点：数据传输以“块”为单位，
CPU
介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过
CPU
再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU
和
I/O
设备的并行性得到提升。
CPU
介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过
CPU
再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU
和
I/O
设备的并行性得到提升。
缺点
：
CPU
每发出一条
I/O
指令，只能读
/
写一个或多个连续的数据块。 如果要读/
写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，
CPU
要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。
：
CPU
每发出一条
I/O
指令，只能读
/
写一个或多个连续的数据块。 如果要读/
写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，
CPU
要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。
4.4通道控制方式（4.3改进版）
通道
：一种
硬件
，可以理解为是 “
弱鸡版的
CPU
”。通道可以识别并执行一系列
通道指令
：一种
硬件
，可以理解为是 “
弱鸡版的
CPU
”。通道可以识别并执行一系列
通道指令
流程图：
缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
优点：
CPU
、通道、
I/O
设备可并行工作，资源利用率很高。
CPU
、通道、
I/O
设备可并行工作，资源利用率很高。
4.5总结对比
五. IO设备多样性的解决办法
文件系统（当然也包括在其之上的应用程序）完全不清楚它使用的是什么类型的磁盘。它只需要简单地向通用块设备层发送读写请求即可，块设备层会将这些请求路由给对应的设备驱动，然后设备驱动来完成真正的底层操作。
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