基本思想
- 按层次构建，较低层软件为较高层软件服务
- 使较高层软件独立于硬件
- 为用户提供统一接口
重点 I/O 软件层次结构
用户级 I/O（库函数，stdio）
↓
设备无关操作系统层（命名、保护、缓冲、分配、错误处理）
↓
设备驱动程序（设备特定操作、设备寄存器、中断处理）
↓
中断处理程序（保存/恢复现场，处理中断）
↓
硬件设备
各层详解
用户级 I/O（User-level I/O）
- 提供标准库函数（如 C 语言的
printf、scanf、fread、fwrite）
- 将格式化数据转换为系统调用
- 对用户屏蔽底层细节
设备无关操作系统层（Device-independent OS Layer）
- 设备命名：统一的逻辑设备名，独立于物理设备
- 设备保护：权限检查，防止未授权访问
- 缓冲处理：提供单缓冲、双缓冲等机制
- 设备分配与释放：管理独占/共享设备
- 错误处理：处理设备错误（重试、报告等）
- 提供统一的 I/O 系统调用接口
设备驱动程序（Device Driver）
- 设备特定的代码，每种设备类型对应一个驱动程序
- 负责操作设备寄存器，发送命令
- 实现中断处理例程
- 向上层提供标准接口，对下层封装硬件差异
- 通常以内核模块形式加载
中断处理程序（Interrupt Handler）
- 保存被中断进程的上下文（CPU 寄存器、程序计数器等）
- 识别中断源（通过中断向量表）
- 执行相应中断服务程序
- 恢复上下文，返回被中断进程
I/O 请求处理流程（用户→硬件）
用户进程调用 read/write（库函数）
↓
用户态 → 内核态（系统调用）
↓
设备无关层：参数校验、权限检查、缓冲管理
↓
设备驱动层：构造命令、操作设备寄存器、启动 I/O
↓
中断处理程序：硬件完成 I/O 后触发中断，传输数据、唤醒等待进程
↓
返回用户态，数据就绪
I/O 交通管制程序
- 负责各 I/O 设备之间的协调工作
- 管理 I/O 请求队列
I/O 调度程序
- 负责设备的分配和调度
- 决定请求的执行顺序（如磁盘调度算法）
I/O 设备处理程序（驱动程序）