CPU 從不碰到裝置本身
沿著這座階梯一路爬上來，我們一直跟著 CPU：看它執行行程、在行程間切換、調度記憶體、把分頁從磁碟錯入。但那每一個故事，都悄悄假設了一件我們從未打開來看的事：這台機器其實能夠跟外面的世界對話——讀取你按下的一個鍵、畫出一個像素、從碟片上拉一個區塊、送出一個封包。這一階講的，正是這場對話。而第一個令人意外的事實是：CPU 根本從不直接碰到鍵盤或磁碟。
在 CPU 與每個裝置之間，坐著一塊小小的專用晶片，叫做裝置控制器（device controller）——一個小小的專家，一面講著裝置自己的私房語言，另一面則提供一個乾淨、標準的電氣介面。把它想成某個部門的櫃檯接待員：你不會自己闖進倉庫，而是把一張單子交給櫃檯的接待員，由他去應付裡頭那一團亂。CPU、核心、還有你，永遠只跟接待員對話。所有這些控制器、它們掛上去的那些電線，以及它們背後的裝置，合起來就是我們所說的 I/O 硬體。
為什麼要費事弄個中間人？因為各種裝置天差地別——一顆磁碟和一支麥克風，在實際搬移位元的方式上幾乎毫無共通之處——然而 CPU 想用同一種方式跟它們全部對話。控制器把這團混亂吸收掉。它處理裝置的類比時序、它古怪的訊號、它的脾氣，然後對 CPU 呈現出一組整整齊齊的信箱，叫做暫存器（register）。讀寫那些暫存器，「就是」CPU 跟裝置對話的方式。所以這篇導覽我們的整個任務，就是搞懂那些信箱：它們住在哪裡、裝著什麼，以及一道命令怎麼進去、一個結果怎麼出來。
四個小信箱：控制器的暫存器
把幾乎任何一塊控制器打開，你都會找到大致相同的四種暫存器，每一個都只是一小格 CPU 可以讀或寫的位元。資料輸入暫存器（data-in register）是 CPU 讀取裝置產生的位元組之處（一個鍵碼、你要的那個磁區）。資料輸出暫存器（data-out register）是 CPU 寫入裝置該消化的位元組之處（一個要印出的字元、一個要存的區塊）。狀態暫存器（status register）裝著一些旗標，CPU 讀它來問「你忙嗎？有資料在等嗎？有什麼壞掉了嗎？」而控制暫存器（control register）則是 CPU 寫入一道命令之處——「開始讀取」、「重置」、「啟用中斷」——好告訴裝置該做什麼。
CPU / kernel device controller the device
+-----------+ +-------------------+ +-----------+
| driver | --write--> | [ control reg ] | -----> | keyboard, |
| code | | [ status reg ] | <----- | disk, |
| | <--read--- | [ data-in reg ] | | NIC, ... |
| | --write--> | [ data-out reg ] | -----> | |
+-----------+ +-------------------+ +-----------+
^ the CPU only ever pokes these 4 mailboxes;
the controller does the messy real work on the right光靠這四個，一場完整的互動就已經可能。要送一個字元給印表機，CPU 可能會這樣做：在一個迴圈裡反覆讀狀態暫存器，直到「就緒」旗標被設起來，接著把字元寫進資料輸出暫存器，再把控制暫存器裡的「命令就緒」位元設起來，說一聲「上」。控制器接著在它工作期間把「就緒」旗標放掉，以它自己慢吞吞的步調印出那個字元，完成後再把「就緒」舉起來。四個信箱、一次簡單的握手，就驅動了一整台印表機。每一個裝置，不論多奇特，都是同一支舞的某種延伸。
暫存器住在哪？I/O 埠對上記憶體映射 I/O
現在來個真正的問題：那些暫存器，是攤在控制器晶片上一小格一小格的位元——那 CPU 的程式碼到底要怎麼稱呼它們、去讀去寫？答案有兩個，而大多數機器兩個都用。第一個，是一塊專門給裝置用的獨立位址空間，靠特別的指令來搆到。每個暫存器都拿到一個號碼，叫 I/O 埠，而 CPU 有專屬的「in」和「out」指令：大致是「讀埠 0x60」（經典的鍵盤資料埠）或「寫 0x3F8」。這些埠活在它們自己的小世界裡，跟你的程式所用的記憶體位址完全分開。
第二個答案更優雅，如今也佔了主流：記憶體映射 I/O。硬體不另開一塊埠空間，而是把每個控制器暫存器接線到一個普通的實體記憶體位址上。讀取位址 0xFEC00000 並不會碰到任何 RAM 晶片——它讀的是某個控制器的狀態暫存器；往那裡寫，戳的是它的控制暫存器。妙就妙在不需要任何特殊指令：CPU 本來就用來存取記憶體的那些普通載入（load）與儲存（store）指令，對裝置也一樣管用。驅動程式可以把一個控制暫存器當成一個變數來對待。這也是為什麼它能如此自然地，融進你兩階之前認識的位址翻譯機構裡。
真正搬動資料的三種方式
知道了怎麼讀寫一個控制器的暫存器之後，還有一個棘手的問題：CPU 要怎麼跟一個比它慢上百萬倍的裝置協調？CPU 一秒鐘執行十億條以上的指令；印表機都還在暖機。在整個這一階裡，你會遇到三種應付這件事的策略，一個比一個聰明——而這篇導覽接下來，就是把這三種快速逛一遍，好讓後面幾篇導覽有地方可以接。
第一種、也最簡單，是程式化 I/O 搭配輪詢（polling）：CPU 坐在一個緊湊的迴圈裡，一遍又一遍讀狀態暫存器，問著「好了沒？好了沒？」，直到旗標翻過來，然後傳一個位元組，然後再為下一個位元組繞回去。它管用，而且簡單到不行，但對一個慢速裝置而言它是場災難——CPU 忙碌等待（busy-wait），燒掉好幾百萬個週期，卻只是在問。這就像站在微波爐前，整整三分鐘隔著玻璃盯著看，明明那時間你可以去洗碗。對一個幾乎總是就緒的裝置這還行；其他情況就是毀滅性的浪費。
解藥是別再問，改讓裝置拍拍你的肩膀。用中斷驅動 I/O 時，CPU 發出命令後就跑去執行別的行程；當裝置終於做完，它的控制器舉起一個中斷——一個電氣門鈴——CPU 就放下手邊的事，跳到一小段服務該裝置的處理常式，然後再回到它原本在跑的東西。不再忙碌等待了；CPU 在空檔裡做有用的工作。這就是幾乎所有真實 I/O 背後的機制，而這一階的第三篇導覽會鉅細靡遺地解剖這個門鈴：那個說明是誰按了鈴的向量、那個來應門的處理常式，以及它分成快速的上半部與延後的下半部。
但中斷驅動 I/O 裡仍藏著一筆代價：對一個又快又大量的裝置（像磁碟）來說，CPU 得親自把每一個位元組都透過資料暫存器搬一遍——每一塊都要一次中斷加一次複製，一個檔案就要上千次。所以第三招，把這份苦力交給另一塊專門的複製晶片。用直接記憶體存取（DMA）時，CPU 告訴 DMA 控制器「把 4 KB 從磁碟控制器搬到這個 RAM 位址」，然後就整個走人。DMA 引擎自己把一整塊直接挪進記憶體，最後才舉起唯一一個中斷，說「完成了」。CPU 從那種一個位元組一個位元組的苦工裡被解放出來；第二篇導覽會把輪詢、中斷、DMA 三者面對面地拿來比較。
軟體那一面：驅動程式，與一個適用於萬物的介面
這一切戳暫存器、處理中斷的活兒，都是裝置專屬的、瑣碎的，正是那種你絕不想讓它散落在整個核心各處的東西。所以作業系統把它隔離在一個裝置驅動程式（device driver）裡：一塊程式碼，每種控制器一份，它對那個特定裝置的暫存器與脾氣瞭若指掌，並向上層暴露一小組標準的操作——開啟、讀、寫、關閉。在驅動程式之上，坐著一個裝置無關 I/O 層，它只講那套標準詞彙，於是核心其餘部分可以發出 read(fd, buf, n)，卻完全不必知道「fd」到底是磁碟、鍵盤，還是一個網路通訊端。
這跟你沿著整座階梯一路看到的，是同一招抽象手法——那個讓一個檔案、一條管線、一個裝置全都看起來像同一串位元組的檔案描述符，正是這一層在運作。為了讓這個統一介面好處理，核心把裝置歸成幾個大家族。一個區塊裝置（像磁碟）以固定大小、可定址、可在其中尋找位置的區塊來搬資料；一個字元裝置（像鍵盤或序列埠）則一次一個、依序地遞送一串位元組，不能尋找位置。兩個家族、少少幾個標準操作，忽然之間，成千上萬種天差地別的小玩意，全都套進同一組系統呼叫裡。
於是一個位元組從你按下一個鍵開始的旅程，如今首尾都看得清清楚楚：你按下一個鍵，鍵盤控制器把鍵碼鎖進它的資料暫存器、舉起一個中斷；CPU 跳進鍵盤驅動程式，它讀取資料暫存器、把那個位元組往上透過裝置無關層遞交；最終它從你程式裡一個 read(fd, buf, n) 呼叫浮出水面。底層是硬體、中間是一層薄薄的驅動程式架起鴻溝、頂端是一個統一介面——這一階接下來，不過就是依序把這每一個接縫各自放大來看罷了。