1. 系统架构
之所以使用分层，这是由于成本和效率之间的平衡
2. 标准设备
接口：向系统其他部分展现的硬件接口
内部结构：设备相关特定实现，几个芯片，CPU和通用内存等
3. 标准协议
While (STATUS == BYSY)
;a、轮询设备，反复读取寄存器，判断设备是否就绪
b、操作系统下发数据到数据寄存器，比如将磁盘块（4KB）传递给设备，如果在这过程有CPU参与数据移动，我们称为编程的I/O(programmed I/O)
c、操作系统将命令写入命令寄存器，设备知道数据已经准备好了，它应该开始执行命令
d、操作系统再次通过不断轮询设备，等待并判断设备是否执行完命令
4. 利用中断减少CPU开销
标准协议中轮询会占用CPU时间，为了提高CPU利用率，可以使用中断来减少CPU开销。
CPU不再需要不断轮询设备，而是向设备发出一个请求，然后就可以让对应进程睡眠，切换执行其他任务。当设备完成了自身操作，会抛出一个硬件中断，引发CPU跳转执行操作系统预先定义好的中断服务程序（Interrupt Service Routine，ISR）或者更为简单的中断处理程序（interrupt handler）。
中断处理程序是一小段操作系统代码，它会结束之前的请求并且唤醒等待I/O的进程继续执行。
需要注意的是，使用中断并非总是最佳方案，假如一个非常高性能的设备，它处理请求很快，通常在CPU第一次轮询时就可以返回结果，此时如果使用中断，反而使系统变慢：切换到其他进程，处理中断，再切换回之前的进程代价不小。
如果设备的速度未知，或者时慢时快，可以考虑使用混合策略，先尝试轮询一小段时间，如果设备没有完成操作，再使用中断。
另外一个最好不要使用中断的场景是网络，网络端收到大量数据包，如果每一个包都发生一次中断，那么有可能导致操作系统发生活锁（即不断处理中断而无法处理用户层的请求）
另一个基于中断的优化是合并，设备在抛出中断之前往往会等待一小段时间，在此期间，其他请求如果很快完成，多次中断可以合并为一个中断，从而降低处理中断的代价。
5. 利用DMA进行更高效的数据传输
DMA引擎是系统中的一个特殊设备，它可以协调完成内存和设备间的数据传递，不需要CPU介入。
DMA的工作过程如下：为了能够将数据传递给设备，操作系统会通过编程告诉DMA引擎数据所在内存位置，要拷贝的大小以及要拷贝到哪个设备，在此之后，操作系统可以去处理其他请求了，当DMA到任务完成后，DMA控制器会抛出一个中断来告诉操作系统自己已经完成数据传输。
6. 设备交互的方法
与设备通信的方法有
- 用明确的I/O指令，比如x86上的io和out指令，但是这些指令是特权指令，操作系统是唯一可以直接与设备交互的实体
- 内存映射I/O（memory-mapped I/O）。通过这种方式，硬件将设备寄存器作为内存地址提供。当需要访问设备寄存器时，操作系统装载或者存入到该内存地址，然后硬件会将装载或者存入转移到设备上，而不是物理内存，内存映射到好处是不需要引入新的指令来完成设备交互
7. 纳入操作系统：设备驱动程序
在操作系统最底层，一部分软件清楚地知道设备如何工作，我们将这部分软件称为设备驱动程序，所有设备交互的细节都封装在其中。
Linux文件系统栈
通过抽象隐藏底层细节，这种封装也有不足的地方，例如如果有一个设备可以提供很多特殊的功能，但是为了兼容大多数操作系统它不得不提供一个通用的接口，这样就使用自身特殊功能无法使用。
驱动程序在整个内核代码中占比很大，Linux中约占70%
8. 案例研究：简单的IDE磁盘驱动程序
IDE硬盘暴露给操作系统的接口比较简单，包括4种类型的寄存器，即控制、命令块、状态和错误
以下是与设备交互的简单协议：
- 等待驱动就绪
- 向命令寄存器写入参数
- 开启I/O
- 数据传输（针对写要求）
- 中断处理
- 错误处理
协议通过4个主要函数实现
- ide_rw()，它将一个请求加入队列（如果前面还有请求没有完成）或者直接将请求发送到磁盘（通过ide_start_request())，调用进程进入睡眠状态，等待请求处理完成
- ide_start_request()，它会将请求发送到磁盘，此时x86点in或out指令会被调用，以读取或者写入设备寄存器。
- ide_wait_ready，在发起请求之前，开始请求函数会使用第三个函数ide_wait_ready来确保驱动处于就绪状态
- ide_intr，当中断发生时被调用，它从设备中读取数据，并且在结束后唤醒等待的进程，如果此时在队列中还有别的未处理的请求，则调用ide_start_request接着处理下一个I/O请求
9. 小结
中断和DMA用于提高设备效率
访问设备寄存器的两种方式：I/O指令和内存映射I/O
设备驱动程序
