I/O 层次结构
I/O 软件通常组织成四个层次，它们的大致结构如下图所示
每一层和其上下层都有明确的功能和接口。下面我们采用和计算机网络相反的套路，即自下而上的了解一下这些程序。
下面是另一幅图，这幅图显示了输入/输出软件系统所有层及其主要功能。
下面我们具体的来探讨一下上面的层次结构
中断处理程序
在计算机系统中，中断就像女人的脾气一样无时无刻都在产生，中断的出现往往是让人很不爽的。中断处理程序又被称为中断服务程序 或者是 ISR(Interrupt Service Routines)，它是最靠近硬件的一层。中断处理程序由硬件中断、软件中断或者是软件异常启动产生的中断，用于实现设备驱动程序或受保护的操作模式（例如系统调用）之间的转换。
中断处理程序负责处理中断发生时的所有操作，操作完成后阻塞，然后启动中断驱动程序来解决阻塞。通常会有三种通知方式，依赖于不同的具体实现
- 信号量实现中：在信号量上使用
up进行通知； - 管程实现：对管程中的条件变量执行
signal操作 - 还有一些情况是发送一些消息
不管哪种方式都是为了让阻塞的中断处理程序恢复运行。
中断处理方案有很多种，下面是 《ARM System Developer’s Guide
Designing and Optimizing System Software》列出来的一些方案
非嵌套的中断处理程序按照顺序处理各个中断，非嵌套的中断处理程序也是最简单的中断处理嵌套的中断处理程序会处理多个中断而无需分配优先级可重入的中断处理程序可使用优先级处理多个中断简单优先级中断处理程序可处理简单的中断标准优先级中断处理程序比低优先级的中断处理程序在更短的时间能够处理优先级更高的中断高优先级中断处理程序在短时间能够处理优先级更高的任务，并直接进入特定的服务例程。优先级分组中断处理程序能够处理不同优先级的中断任务
下面是一些通用的中断处理程序的步骤，不同的操作系统实现细节不一样
- 保存所有没有被中断硬件保存的寄存器
- 为中断服务程序设置上下文环境，可能包括设置
TLB、MMU和页表，如果不太了解这三个概念，请参考另外一篇文章 - 为中断服务程序设置栈
- 对中断控制器作出响应，如果不存在集中的中断控制器，则继续响应中断
- 把寄存器从保存它的地方拷贝到进程表中
- 运行中断服务程序，它会从发出中断的设备控制器的寄存器中提取信息
- 操作系统会选择一个合适的进程来运行。如果中断造成了一些优先级更高的进程变为就绪态，则选择运行这些优先级高的进程
- 为进程设置 MMU 上下文，可能也会需要 TLB，根据实际情况决定
- 加载进程的寄存器，包括 PSW 寄存器
- 开始运行新的进程
上面我们罗列了一些大致的中断步骤，不同性质的操作系统和中断处理程序能够处理的中断步骤和细节也不尽相同，下面是一个嵌套中断的具体运行步骤
设备驱动程序
在上面的文章中我们知道了设备控制器所做的工作。我们知道每个控制器其内部都会有寄存器用来和设备进行沟通，发送指令，读取设备的状态等。
因此，每个连接到计算机的 I/O 设备都需要有某些特定设备的代码对其进行控制，例如鼠标控制器需要从鼠标接受指令，告诉下一步应该移动到哪里，键盘控制器需要知道哪个按键被按下等。这些提供 I/O 设备到设备控制器转换的过程的代码称为 设备驱动程序(Device driver)。
为了能够访问设备的硬件，实际上也就意味着，设备驱动程序通常是操作系统内核的一部分，至少现在的体系结构是这样的。但是也可以构造用户空间的设备驱动程序，通过系统调用来完成读写操作。这样就避免了一个问题，有问题的驱动程序会干扰内核，从而造成崩溃。所以，在用户控件实现设备驱动程序是构造系统稳定性一个非常有用的措施。MINIX 3 就是这么做的。下面是 MINI 3 的调用过程
然而，大多数桌面操作系统要求驱动程序必须运行在内核中。
操作系统通常会将驱动程序归为 字符设备 和 块设备，我们上面也介绍过了
在 UNIX 系统中，操作系统是一个二进制程序，包含需要编译到其内部的所有驱动程序，如果你要对 UNIX 添加一个新设备，需要重新编译内核，将新的驱动程序装到二进制程序中。
然而随着大多数个人计算机的出现，由于 I/O 设备的广泛应用，上面这种静态编译的方式不再有效，因此，从 MS-DOS 开始，操作系统转向驱动程序在执行期间动态的装载到系统中。
设备驱动程序具有很多功能，比如接受读写请求，对设备进行初始化、管理电源和日志、对输入参数进行有效性检查等。
设备驱动程序接受到读写请求后，会检查当前设备是否在使用，如果设备在使用，请求被排入队列中，等待后续的处理。如果此时设备是空闲的，驱动程序会检查硬件以了解请求是否能够被处理。在传输开始前，会启动设备或者马达。等待设备就绪完成，再进行实际的控制。控制设备就是对设备发出指令。
发出命令后，设备控制器便开始将它们写入控制器的设备寄存器。在将每个命令写入控制器后，会检查控制器是否接受了这条命令并准备接受下一个命令。一般控制设备会发出一系列的指令，这称为指令序列，设备控制器会依次检查每个命令是否被接受，下一条指令是否能够被接收，直到所有的序列发出为止。
发出指令后，一般会有两种可能出现的情况。在大多数情况下，设备驱动程序会进行等待直到控制器完成它的事情。这里需要了解一下设备控制器的概念
设备控制器的主要主责是控制一个或多个 I/O 设备，以实现 I/O 设备和计算机之间的数据交换。
设备控制器接收从 CPU 发送过来的指令，继而达到控制硬件的目的
设备控制器是一个可编址的设备，当它仅控制一个设备时，它只有一个唯一的设备地址；如果设备控制器控制多个可连接设备时，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。
设备控制器主要分为两种：字符设备和块设备
设备控制器的主要功能有下面这些
- 接收和识别命令：设备控制器可以接受来自 CPU 的指令，并进行识别。设备控制器内部也会有寄存器，用来存放指令和参数
- 进行数据交换：CPU、控制器和设备之间会进行数据的交换，CPU 通过总线把指令发送给控制器，或从控制器中并行地读出数据；控制器将数据写入指定设备。
- 地址识别：每个硬件设备都有自己的地址，设备控制器能够识别这些不同的地址，来达到控制硬件的目的，此外，为使 CPU 能向寄存器中写入或者读取数据，这些寄存器都应具有唯一的地址。
- 差错检测：设备控制器还具有对设备传递过来的数据进行检测的功能。
在这种情况下，设备控制器会阻塞，直到中断来解除阻塞状态。还有一种情况是操作是可以无延迟的完成，所以驱动程序不需要阻塞。在第一种情况下，操作系统可能被中断唤醒；第二种情况下操作系统不会被休眠。
设备驱动程序必须是可重入的，因为设备驱动程序会阻塞和唤醒然后再次阻塞。驱动程序不允许进行系统调用，但是它们通常需要与内核的其余部分进行交互。
与设备无关的 I/O 软件
I/O 软件有两种，一种是我们上面介绍过的基于特定设备的，还有一种是设备无关性的，设备无关性也就是不需要特定的设备。设备驱动程序与设备无关的软件之间的界限取决于具体的系统。下面显示的功能由设备无关的软件实现
与设备无关的软件的基本功能是对所有设备执行公共的 I/O 功能，并且向用户层软件提供一个统一的接口。
