上一节我们学习的内容是I/O系统的特点和设备分类和差异，这一节我们将主要关注I/O控制方式、OS设计问题、I/O逻辑结构等。

I/O功能的演变

在专栏的ch1-2中，我们详细讲解了CPU与外设的三种交互方式，这里简单地带过。
（1）轮询的方式，一般I/O操作CPU是空闲的，且都要经过CPU数据中转到内存
（2）中断的方式，一般是CPU在等待I/O操作完成的同时可以执行其他任务
（3）磁盘一般都是DMA（挪用总线周期，无需CPU高速传输），键盘一般是中断驱动的

一开始I/O功能直接由处理器直接控制，处理器来调度和操作外设
后来添加了控制器和I/O模块，使用类似于“轮询”的方式与外设进行交互，这样I/O设备就由自身的控制器控制，处理器不需要直接处理。

然后，控制器开始支持中断的方式，处理器就不需要每次“轮询”等待I/O操作，但是处理器仍然要执行中断处理程序，参与数据移动。
接着，出现了更高级的DMA方式，数据块通过总线直接进入内存，处理器不需要参与数据移动，大大加快了数据传输速率。

为了使CPU从I/O事务中解脱出来，提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力，OS又引入了通道。通道是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，可以执行通道程序。

通道相当于一个功能简单的处理机，包含通道指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移操作），并可执行用这些指令编写的通道程序。因此可以进行较为复杂的I/O控制，通道程序通常由操作系统所构造，放在内存里，执行一个通道程序可以完成多批I/O操作。

I/O设计目标和问题

设计目标：高效率+通用性

1. 高效率：最重要的是提高I/O自身的性能，其次可以使用类似于文件系统多级划分来提高
2. 通用性
   1. 为了简单性避免出错，应以统一方式处理所有I/O设备
   2. 将设备I/O的大部分细节隐藏在底层例程中（read, write, open, close, lock and unlock等），底层例程主要是各种初始化，比如设备的初始以及寄存器的初始化

I/O软件需要考虑的问题

• 设备无关性：
  • 逻辑设备（将设备视为文件），OS将逻辑设备进行转换完成对实际物理设备的驱动，比如键盘是0号文件、显示器是1号文件、错误信息是2号文件
  • 物理设备：键鼠、显示器等不同种类的外设
• 出错处理：只能报告错误，不能解决问题
• 同步：阻塞需要I/O的进程，通过异步传输（中断驱动）
• 缓冲技术：硬盘的读写一次需要ms级别的传输

I/O的逻辑结构

分层管理：每一层功能向下依赖，向上提供服务

• Logic I/O：针对用户接口提供抽象命令：open、write等
• Device I/O：逻辑设备与物理设备间的过度协调机构
  • 用户请求的I/O序列
  • I/O缓冲区
• Scheduling and Control：物理设备控制实体，往往是设备驱动程序

e.g., 抽象结构图示

事实上，分层并没有唯一的标准，不同的OS有自己的架构。