在计算机系统中，除了需要有处理机和存储器外，还需要有用于实现信息输入、输出和存储的设备。设备管理程序便是用于对这类设备进行控制和管理的一组程序。设备管理是操作系统中最繁杂且与硬件紧密相关的部分。
在一个计算机系统中，除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外，还需要有相应的设备控制器。在大、中型计算机系统中，还需有I/O通道，由这些设备以及相应的总线构成了I/O系统。
I/O设备管理系统结构图
I/O设备的特点分析
操作系统需要管理的最复杂的资源——I/O设备
I/O设备种类繁多，工作模式各不相同
I/O设备数据多样，处理方式各不相同
I/O设备性能参差，运行控制多种多样
最容易成为计算机系统的瓶颈——I/O设备
很多I/O设备使用机械操作，导致其速度较CPU相差很大
进程运行中的输入输出操作可能造成系统运行的性能瓶颈
I/O管理：如何最大限度保证I/O设备与CPU的并行工作
最实用、最体现操作系统特色的工作——I/O管理
兼容性：操作系统最难以完成的使命
标准化：IT技术迅速普及发展的本质
高性能：I/O设备发展的主要目标
I/O设备分类
按照设备的功能特性划分
存储型设备：保存各类数据（临时或永久）
输入输出型设备：提供人机交互手段
数据通信型设备：实现电子数据交换
按照数据的组织形式划分
块设备：以数据块为单位存储、传输数据
字符设备：以字节为单位存储、传输数据
按照资源分配的形式划分
独占式设备：一个时刻只能由一个进程使用，一般为低速I/O设备
共享式设备：一个时刻可由多个进程使用，资源利用率很高
虚拟式设备：用高速设备模拟低速设备，用共享设备模拟独占设备
按照程序使用的方式划分
逻辑设备：由操作系统维护，简便用户操作和控制的“设备结构”
物理设备：由硬件结构组成，真实完成各类I/O设备操作
I/O设备的差别
I/O设备的评价标准
设备的数据传输单位和传输率
设备的数据表示和应用目标
设备的控制方式和出错情况
I/O管理的任务和目标
根据用户请求，控制各类I/O设备实现用户的目标
控制设备操作，实现设备与内存的数据交换
设备的分配与回收、设备驱动程序、设备中断管理、各类缓冲区管理等
向用户提供方便的I/O设备接口，屏蔽底层硬件细节差别
虚拟机——逻辑设备的作用：用户能够简单方便的使用I/O设备
设备接口的方便性、友好性、透明性、设备无关性
利用各种技术，提高I/O设备的运行效率
设备与CPU之间、设备之间的并行
设备负载的均衡：保持设备的充分忙碌
实现对I/O设备的管理和保护
设备的分配与回收：针对独占设备和共享设备，实现合理的资源分配
设备的数据保护：不同设备之间的保护、设备内部的保护
I/O设备硬件组成
I/O设备的硬件结构
机械部分（物理装置）：由模拟信号驱动的各种机械装置
控制器/适配器（电子装置）：实现与主机的连接和通信
设备控制器的工作方式
常以板卡的形式与主板的总线插槽连接
通过设备的接口寄存器、缓冲区与CPU进行通信
设备控制器的工作内容
地址译码：实现对I/O地址空间的正确映射
外部通信：接受或者发送数据/状态信号
执行指令：将数字化指令转化为机械装置能够理解的模拟信号
性能增强：实现内部硬件缓冲、完成数据加工等性能提升目标
操作系统的硬件环境
I/O设备接口的工作流程
I/O操作过程的细分
准备、启动、测试和等待、结果检查和错误处理
I/O设备接口的作用
接口寄存器：保存命令、状态或者数据
接口缓冲区：用来保存大量数据的缓冲区
通过I/O设备接口，CPU可以设定指令或状态、可以读取状态和结果
I/O设备接口的工作方式
设置命令寄存器和状态寄存器：CPU通过总线与I/O接口通信
I/O设备与CPU并行工作：控制器根据指令完成相应I/O操作
通过中断向CPU发出信号：工作完成后通过硬件中断通知CPU
IBM PC的软盘控制器
可接受15条指令：READ、WRITE、SEEK、FORMAT等
各条指令均可带参数，指令和相关参数均被设置到接口寄存器中
位串行工作机制：驱动器提供“位流”，控制器负责在缓冲区中将其组装为字节，并进行必要的校验和纠错
显示器的控制器
位串行工作机制：从显示缓冲区中读取可供显示的内容，而后产生用来调制CRT电子束的信号
I/O设备接口的价值
屏蔽底层硬件细节，降低应用者的操作难度
体现模块化的特点，适应不同的应用环境
通过对I/O设备接口进行标准化，即可方便实现兼容
计算机的系统结构图
I/O设备的连接与地址映射
I/O设备的连接方式
连接路径：I/O设备与CPU建立连接时，所有有关组件构成连接路径
I/O端口：I/O设备接口中有多个接口寄存器或缓冲区，每一个寄存器或缓冲区被称为一个I/O端口
I/O端口地址空间：实现对I/O接口寄存器/缓冲区的访问
I/O设备端口的编址方式
I/O端口独立编址：与内存空间完全独立
内存映射I/O地址：在内存空间中划分固定区域映射I/O端口
I/O地址空间的编址方式和使用差别
指令运行差别：访问的地址空间不同
系统资源消耗：所需要的资源数不同
优缺点权衡：总线规格、地址信息传输与过滤、系统性能等因素
I/O端口独立编址模式
I/O地址与内存空间完全独立
使用专用的I/O指令对I/O端口进行操作
优缺点分析
优点1：I/O设备不占用内存地址空间，减少系统资源消耗
优点2：技术实现复杂度低，易于区分I/O地址和内存地址
缺点：由于地址空间独立、狭小，导致指令类型少，只能使用简单的汇编语言编程
I/O端口的内存映射编址方式
I/O端口地址空间和内存地址空间统一编址
I/O端口地址也被作为物理地址空间的一部分进行存储管理
CPU访问地址空间时，将对地址空间的范围进行判断，然后选择读取内存空间或者访问I/O端口
内存映射编址的优缺点分析
优点1：使得技术实现手段更加方便，可用C语言编写驱动程序
优点2：不需要对I/O地址空间进行特殊保护，只需要利用现有的存储保护机制（例如分页式中的页表项设置）
优点3：使得I/O端口的指令更加灵活多样
缺点1：内存映射方式中必须保证I/O端口的实时性（禁用高速缓存）
缺点2：对于双总线或者多总线结构而言，I/O端口的地址映射将比较困难和麻烦
I/O端口地址的映射与访问
系统总线对I/O端口编址的影响
