1.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，属于计算机的硬件部件
2.I/O设备按信息交换的单位分类为：块设备（传输快，可寻址），字符设备（传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式）
3.I/O控制器：即设备控制器，由CPU来控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件

4.I/0控制器的功能为：接收识别CPU发出的命令，向CPU报告设备的状态，数据交换，地址识别

5.I/O控制器内有寄存器用于与CPU的交互
寄存器的编址有两种：内存映射I/O和寄存器独立编址

I/O控制方式

I/O控制方式有：程序直接控制方式，中断驱动方式，DMA方式，通道控制方式

程序直接控制方式

读I/O模块的状态即检查IO设备是否为空闲状态，若不是则继续循环检查

中断驱动方式

利用中断可实现当检查IO设备为忙时就发生中断，直到空闲才叫回CPU为进程分配IO设备

如鼠标若没有点击则发生中断，当点击时立马换回CPU

DMA方式

DMA方式即通过DMA控制器实现托管，CPU告诉DMA的IO控制逻辑将输入的数据放到内存中的哪个位置后便不需要再关注了，由DMA实现，直到传输完成再唤回CPU

DMA控制器

通道控制方式

四种方式对比

I/O软件层次结构服务

I/O软件层次结构服务分为：用户层软件，设备独立性软件，设备驱动程序，中断处理程序，硬件（各个层次由上到下，上层为下层提供接口，下层为上层提供服务，类似于计算机网络7层结构）

用户层软件

设备独立性软件

实现的功能有：

（1）向上层提供统一的调用接口（如read系统调用）；

（2）对设备的保护（类似文件保护，需要为设备添加访问权限）；

（3）对差错的处理；

（4）设备的分配与回收（很多I/O设备为临界资源）；

（5）数据缓冲区管理；

（6）建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系，根据设备类型选择调用相应的驱动程序

设备驱动程序

输入/输出应用程序接口

设备驱动程序要为设备独立软件提供统一的接口（根据不同的操作系统有不同的接口，但同一操作系统必须统一），所以要接入该操作系统的各种IO设备都必须采用该操作系统制定的统一标准

假脱机技术

实现在用户层软件中（脱机即脱离主机的控制进行的输入/输出操作），假脱机即用软件的方式模拟脱机技术

假脱机技术是为了解决IO设备传输数据慢，CPU内存和磁盘传输数据快的矛盾，若没有假脱机技术，CPU就必须等待IO设备的传输，利用率低

假脱机技术实际就是利用缓冲区的特性（由下文缓冲区可知）来解决矛盾，IO设备将数据全部传入输入缓冲区后，CPU再进行处理，没有全部输入前CPU就不会进行任何数据的提取

设备分配的安全性

设备分配的数据结构

操作系统利用通道控制表，控制器控制表，设备控制表这三种数据结构来实现对设备的分配

一个通道控制多个控制器，一个控制器控制多个设备

控制表存储了控制信息（即设备的使用情况），映射设备逻辑名与物理名（用户使用逻辑名，操作系统对物理名进行操作），只有当三张表都表示三个设备为空闲时才能为进程分配该IO设备

缓冲区

缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区。使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合，所以更多情况下利用的是内存作为缓冲区

缓冲区的作用：

（1）缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾；

（2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制；

（3）解决数据粒度不匹配的问题；

（4）提高CPU与I/0设备之间的并行性；

单缓冲：操作系统在主存分配一个缓冲区

（重点）当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区中冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出

（重点）在单缓冲区中如何计算数据输入和输出的平均用时？

求平均用时可以先假定一个初始的工作状态，经历一次输入输出后当再次回到初始状态时即是一次数据传输

由图可知，缓冲区为空，工作区为满，所以可以直接输入到缓冲区，CPU也可以处理数据，但缓冲区必须充满才可以传送，所以即使CPU已经处理完了进程工作区也不能提取数据，所以当输入时间大于CPU处理时间时，平均用时由输入时间决定