硬件
1.设备控制器
为了屏蔽设备之间的差异，每个设备都有一个叫设备控制器（Device Control） 的组件，比如硬盘有硬盘控制器、显示器有视频控制器等。
因为这些控制器都很清楚的知道对应设备的用法和功能，所以 CPU 是通过设备控制器来和设备打交道的。
设备控制器里有芯片，它可执行自己的逻辑，也有自己的寄存器，用来与 CPU 进行通信，比如：
- 通过写入这些寄存器，操作系统可以命令设备发送数据、接收数据、开启或关闭，或者执行某些其他操作。
- 通过读取这些寄存器，操作系统可以了解设备的状态，是否准备好接收一个新的命令等。
实际上，控制器是有三类寄存器，它们分别是状态寄存器（Status Register）、 命令寄存器（Command Register）以及数据寄存器（Data Register），如下图：
这三个寄存器的作用：
- 数据寄存器，CPU 向 I/O 设备写入需要传输的数据，比如要打印的内容是「Hello」，CPU 就要先发送一个 H 字符给到对应的 I/O 设备。
- 命令寄存器，CPU 发送一个命令，告诉 I/O 设备，要进行输入/输出操作，于是就会交给 I/O 设备去工作，任务完成后，会把状态寄存器里面的状态标记为完成。
- 状态寄存器，目的是告诉 CPU ，现在已经在工作或工作已经完成，如果已经在工作状态，CPU 再发送数据或者命令过来，都是没有用的，直到前面的工作已经完成，状态寄存标记成已完成，CPU 才能发送下一个字符和命令。
CPU 通过读写设备控制器中的寄存器控制设备，这可比 CPU 直接控制输入输出设备，要方便和标准很多。
这可比 CPU 直接控制输入输出设备，要方便和标准很多。
另外， 输入输出设备可分为两大类 ：块设备（Block Device）和字符设备（Character Device）。
- 块设备，把数据存储在固定大小的块中，每个块有自己的地址，硬盘、USB 是常见的块设备。
- 字符设备，以字符为单位发送或接收一个字符流，字符设备是不可寻址的，也没有任何寻道操作，鼠标是常见的字符设备。
块设备通常传输的数据量会非常大，于是控制器设立了一个可读写的数据缓冲区。
- CPU 写入数据到控制器的缓冲区时，当缓冲区的数据囤够了一部分，才会发给设备。
- CPU 从控制器的缓冲区读取数据时，也需要缓冲区囤够了一部分，才拷贝到内存。
这样做是为了，减少对设备的频繁操作。
那 CPU 是如何与设备的控制寄存器和数据缓冲区进行通信的？
- 端口 I/O，每个控制寄存器被分配一个 I/O 端口，可以通过特殊的汇编指令操作这些寄存器，比如 in/out 类似的指令。
- 内存映射 I/O，将所有控制寄存器映射到内存空间中，这样就可以像读写内存一样读写数据缓冲区。
I/O 控制方式：
每种设备都有一个设备控制器，控制器相当于一个小 CPU，它可以自己处理一些事情，但有个问题是，当 CPU 给设备发送了一个指令，让设备控制器去读设备的数据，它读完的时候，要怎么通知 CPU 呢？
控制器的寄存器一般会有状态标记位，用来标识输入或输出操作是否完成。
- 第一种轮询等待的方法，让 CPU 一直查寄存器的状态，直到状态标记为完成。
- 第二种方法 —— 中断，通知操作系统数据已经准备好了。我们一般会有一个硬件的中断控制器，当设备完成任务后触发中断到中断控制器，中断控制器就通知 CPU，一个中断产生了，CPU 需要停下当前手里的事情来处理中断。
中断有两种：
- 一种软中断，例如代码调用 INT 指令触发。
- 一种是硬件中断，就是硬件通过中断控制器触发的。
但中断的方式对于频繁读写数据的磁盘，并不友好，这样 CPU 容易经常被打断，会占用 CPU 大量的时间。
对于这一类设备的问题的解决方法是使用 DMA（Direct Memory Access） 功能，它可以使得设备在 CPU 不参与的情况下，能够自行完成把设备 I/O 数据放入到内存。那要实现 DMA 功能要有 「DMA 控制器」硬件的支持。
DMA 的工作方式如下：
- CPU 需对 DMA 控制器下发指令，告诉它想读取多少数据，读完的数据放在内存的某个地方就可以了；
- 接下来，DMA 控制器会向磁盘控制器发出指令，通知它从磁盘读数据到其内部的缓冲区中，接着磁盘控制器将缓冲区的数据传输到内存；
- 当磁盘控制器把数据传输到内存的操作完成后，磁盘控制器在总线上发出一个确认成功的信号到 DMA 控制器；
- DMA 控制器收到信号后，DMA 控制器发中断通知 CPU 指令完成，CPU 就可以直接用内存里面现成的数据了；
仅仅在传送开始和结束时需要 CPU 干预。
