I/O 设备

需熟练掌握 I/O 控制方式和软件层次，常在选择题中考察。本节建议和计算机组成原理中的 I/O 系统共同学习。

根据设备类型的不同，我们将 I/O 接口分为三种类型：

块设备（Block Device）是计算机中一类以 固定大小的数据块为单位 进行数据读写的 I/O 设备，通常用于存储和检索大量数据。它们 支持随机访问，意味着可以直接定位到任意数据块，而无需按顺序读取。

典型例子包括机械硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）和 USB 闪存盘。块设备的数据传输速率较高，但涉及复杂的控制器和协议（如 SATA 或 NVMe)，因此在操作系统中通常由专门的驱动程序管理。

字符设备是另一类 I/O 设备，以 连续的字符流形式 进行数据传输，不支持随机访问，也不依赖数据块的概念。它们通常用于与硬件设备交互，如键盘、鼠标、串口终端或打印机。字符设备的数据流是顺序的，适合实时或低速数据传输场景。

例如，键盘输入的字符流直接发送到系统，而无需缓存整个数据块。字符设备在操作系统中通常通过简单的驱动程序管理，且不涉及文件系统，适合处理非结构化数据。

网络设备是专门用于计算机网络通信的 I/O 设备，负责在计算机与网络之间传输数据包。它们包括网络适配器和调制解调器等设备。网络设备 以数据包为单位 工作，通常通过协议栈（如 TCP/IP)处理数据，支持点对点或广播通信。

与块设备和字符设备不同，网络设备更注重数据的高速传输和实时性，常涉及中断机制和 DMA（直接内存访问）来提高效率。操作系统通过网络驱动程序管理这些设备，以实现网络连接和数据交换。

在计算机系统中，I/O（输入/输出）控制方式决定了 CPU 与外设之间如何协作完成数据传输。主要有三种方式，每种方式在性能、复杂度与使用场景上各有不同：

程序查询方式：又称“轮询方式”，CPU 主动不断地检查外设状态是否准备好。在设备较少、交互不频繁的场景下实现简单，但会占用大量 CPU 时间，效率较低。
程序中断方式：外设准备就绪后向 CPU 发出中断信号，CPU 暂停当前任务处理 I/O 操作，相比轮询更高效。适用于响应及时性要求较高的系统，能够显著降低 CPU 的无效等待。
DMA 方式：即“直接内存访问”，在数据量大、频繁传输的场景中尤为高效。CPU 只负责启动 DMA 控制器，数据传输过程由 DMA 独立完成，显著提高系统整体效率。

I/O 软件层次是计算机系统中用于管理和协调输入输出操作的软件架构，从用户应用程序到硬件设备，分为多个层次，每一层负责特定的功能，确保高效、可靠的 I/O 操作。

用户层 I/O 软件是 I/O 软件体系结构的最上层，直接与用户应用程序交互，提供标准化的接口 以便程序能够访问 I/O 设备。

它主要包括库函数和系统调用接口，例如 C 语言中的 stdio 库（提供 printf、scanf 等函数）或 POSIX 系统调用（如 read、write）。这些软件封装了底层的复杂性，让用户程序无需关心具体设备细节即可进行输入输出操作。

设备独立性软件位于用户层和设备驱动程序之间，负责屏蔽不同 I/O 设备的硬件差异，提供统一的接口供上层软件使用。它 实现了设备无关的功能，例如文件系统管理、设备命名、缓冲管理和错误处理。

例如，操作系统通过设备独立性软件将不同类型的存储设备（如硬盘、USB 驱动器）抽象为统一的文件系统接口，程序只需操作文件路径而无需关心底层设备类型。此外，它还管理设备的分配与释放，避免多个进程同时访问同一设备导致冲突。设备独立性软件的核心作用是提高系统的模块化和可移植性。

设备驱动程序是 I/O 软件层次中直接 与具体硬件设备交互 的部分，每个设备驱动程序针对特定类型的硬件设备设计，负责将设备独立性软件的通用命令转换为设备能够理解的特定指令。

例如，一个硬盘驱动程序会处理扇区读写命令，而一个打印机驱动程序可能发送控制字符序列。驱动程序通常由设备制造商提供，运行在操作系统的内核态，能够直接访问设备寄存器和端口。由于硬件设备的多样性，驱动程序需要处理设备初始化、数据传输和错误恢复等任务，是连接软件与硬件的关键桥梁。

中断处理程序是 I/O 软件层次中 专门处理硬件中断 的部分，当设备完成操作或发生事件（如数据到达、错误发生）时，硬件会触发中断信号，中断处理程序迅速响应以处理这些事件。它运行在极低的层次，通常以极高的优先级执行，负责保存中断现场、处理设备状态、通知上层软件或触发后续操作。

例如，当网卡接收到数据包时，中断处理程序会将数据移到内存并通知网络协议栈。由于中断处理需要极快的响应速度，代码通常高度优化且精简，尽量减少处理时间，以避免影响系统性能。

硬件是 I/O 软件层次的最底层，直接负责 执行物理 I/O 操作，包括实际的设备控制器、寄存器、端口和数据传输通道。硬件层由具体的 I/O 设备（如硬盘、键盘、网络适配器）及其控制器组成，控制器通过寄存器和端口接收驱动程序的指令，执行数据读写或状态查询等操作。

例如，硬盘控制器通过 DMA（直接内存访问）将数据直接传输到内存，而网卡通过硬件队列处理数据包。硬件层的性能和特性直接决定了 I/O 操作的效率，软件层的所有操作最终都依赖硬件的物理实现。