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I/O设备是计算机系统的重要组成部分，它们是计算机与外界环境进行信息交换的桥梁。在计算机系统中，CPU负责处理数据，内存负责存储数据，而I/O设备则负责数据的输入和输出。常见的I/O设备包括键盘、鼠标、显示器、硬盘等，它们通过系统总线与CPU和内存相连，实现数据的传输和交换。
I/O设备有多种分类方法。按传输速率可分为低速设备如键盘鼠标，中速设备如打印机，以及高速设备如硬盘和网卡。不同速率的设备数据传输能力差异很大，这直接影响系统的I/O性能。按信息交换单位可分为字符设备和块设备。字符设备以字符为单位进行数据传输，而块设备以数据块为单位进行传输，具有更高的传输效率。
I/O控制器是CPU与I/O设备之间的重要桥梁。它主要由三部分组成：设备控制器接口负责与CPU总线连接，控制逻辑负责解释CPU指令并控制设备操作，设备寄存器包括数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器。数据寄存器存储传输的数据，状态寄存器反映设备当前状态，控制寄存器接收CPU的控制命令。控制器接收CPU指令后，通过控制逻辑操作具体设备，并将状态信息返回给CPU。
I/O控制方式有四种主要类型。程序直接控制采用轮询方式，CPU不断检查设备状态，效率较低。中断驱动方式采用异步处理，设备完成操作后主动通知CPU，提高了CPU利用率。DMA控制方式允许设备直接访问内存，减少CPU干预，进一步提高效率。通道控制方式具有独立的处理能力，可以执行复杂的I/O程序，是最高效的控制方式。随着控制方式的改进，CPU利用率逐步提高。
I/O软件采用分层结构设计，共分为四个层次。最上层是用户级I/O软件，提供用户程序接口。第三层是设备无关的操作系统软件，提供统一的系统调用接口。第二层是设备驱动程序，负责具体设备的控制操作。最底层是中断处理程序，直接与硬件交互。当用户程序发起I/O请求时，请求从上层逐级向下传递到硬件，硬件完成操作后，结果又逐层向上返回到用户程序。这种分层设计实现了软件的模块化和可维护性。