IO軟件的設計目標：
（1）高效率：改善設備效率，尤其是磁盤I/O操作的效率
（2）通用性：用統一的標准來管理所有設備
IO軟件的設計思路： 把軟件組織成層次結構，低層軟件用來屏蔽硬件細節，高層軟件向用戶提供簡潔、友善的界面
IO軟件設計中主要考慮的問題：
（1）設備無關性：編寫訪問文件的程序與具體設備無關
（2）出錯處理：低層軟件能處理的錯誤不讓高層軟件感知
（3）同步/異步傳輸：支持阻塞和中斷驅動兩種工作方式
（4）緩沖技術：建立數據緩沖區，提高吞吐率
I/O軟件的層次結構：
- I/O中斷處理程序
位於操作系統底層，與硬件設備密切相關，與系統其余部分盡可能少地發生聯系
進程請求I/O操作時，通常被掛起，直到數據傳輸結束后並產生I/O中斷時，操作系統接管CPU后轉向中斷處理程序
當設備向CPU提出中斷請求時，CPU響應請求並轉入中斷處理程序
功能：檢查設備狀態寄存器內容，判斷產生中斷的原因，根據I/O操作的完成情況進行相應的處理
- 如果數據傳輸有錯，向上層軟件報告設備的出錯信息，實施重新執行
- 如果正常結束，喚醒等待傳輸的進程，使其轉換為就緒態
- 如果有等待傳輸的I/O命令，通知相關軟件啟動下一個I/O請求
- 設備驅動程序
包括與設備密切相關的所有代碼，從獨立於設備的軟件中接收並執行I/O請求
把用戶提交的邏輯I/O請求轉化為物理I/O操作的啟動和執行；監督設備是否正確執行，管理數據緩沖區，進行必要的糾錯處理
功能：
- 設備初始化：在系統初次啟動或設備傳輸數據時，預置設備和控制器以及通道狀態
- 執行設備驅動例程：負責啟動設備，進行數據傳輸；對於具有通道方式，還負責生成通道指令和通道程序，啟動通道工作
- 調用和執行中斷處理程序：負責處理設備和控制器及通道所發出的各種中斷
設備驅動程序分為：
（1）整體驅動程序直接向操作系統提供接口和控制硬件。適用於功能簡單的驅動程序，效率較高，但較難遷移
（2）分層驅動程序將驅動程序分成多層，放在棧中，系統接到I/O請求時先調用棧頂的驅動程序，棧頂的驅動程序可以直接處理請求或向下調用更低層的驅動程序，直至請求被處理，適用於功能復雜、重用性要求較高的驅動程序，結構清晰且便於移植，但會增加一部分系統開銷。
外設種類繁多、其控制接口不一，導致不同外設的設備驅動程序千差萬別， 因而設備驅動程序與設備相關每個設備驅動程序只處理一種設備，或者一類緊密相關的設備。每個外設或每類外設都有一個設備控制器，其中包含各種I/O端口。 CPU通過執行設備驅動程序中的I/O指令訪問各種I/O端口。設備所采用的I/O控制方式不同，驅動程序的實現方式也不同：
- 程序直接控制：驅動程序完成用戶程序的I/O請求后才結束。這種情況下，用戶進程在I/O過程中不會被阻塞，內核空間的I/O軟件一直代表用戶進程在內核態進行I/O處理 。
- 中斷控制：驅動程序啟動第一次I/O操作后，將調出其他進程執行，而當前用戶進程被阻塞。在CPU執行其他進程的同時，外設進行I/O操作，此時， CPU和外設並行工作。外設完成I/O時，向CPU發中斷請求，然后CPU調出相應中斷服務程序執行。在中斷服務程序中再次啟動I/O操作。
- DMA控制：驅動程序對DMA控制器初始化后，便發送“啟動DMA傳送” 命令，外設開始進行I/O操作並在外設和主存間傳送數據。同時CPU執行處理器調度程序，轉其他進程執行，當前用戶進程被阻塞。DMA控制器完成所有I/O任務后，向CPU發送一個“DMA完成”中斷請求信號。
- 獨立於設備的I/O軟件
執行適用於所有設備的常用I/O功能，功能包括：
（1）設備驅動程序統一接口：
操作系統為所有外設的設備驅動程序規定一個統一接口，這樣，新設備的驅動程序只要按統一接口規范來編制，就可在不修改操作系統的情況下，添加新設備驅動程序並使用新的外設進行I/O。
所有設備都抽象成文件，設備名和文件名在形式上沒有差別，設備和文件具有統一的接口，不同設備名和文件名被映射到對應設備驅動程序。
（2）設備命名：通過路徑名尋址設備
（3）設備保護：檢查用戶是否有權訪問所申請設備
（4）提供與設備無關的數據單位：字符數量，塊尺寸
例如，為了為所有的塊設備、字符設備提供一個統一的抽象視圖，以隱藏不同塊設備、字符設備之間的差異，與設備無關的I/O軟件為所有塊設備、字符設備設置統一的邏輯塊大小。這樣，高層I/O軟件就只需處理簡化的抽象設備，從而在高層軟件中簡化了數據定位等處理 。
（5）緩沖技術：傳輸速率、時間約束，不能直接送達目的地。每個設備的I/O都需使用內核緩沖區，因而緩沖區的申請和管理等處理是所有設備公共的，可包含在與設備無關的I/O軟件部分
（6）設備分配和狀態跟蹤：分配不同類型的設備
（7）錯誤處理和報告：
I/O操作在內核態執行時所發生的錯誤信息，都通過與設備無關的I/O軟件返回給用戶進程，也即：錯誤處理框架與設備無關。
直接返回編程等錯誤，無需設備驅動程序處理，如請求了不可能的I/O操作、寫信息到一個輸入設備或從一個輸出設備讀信息、指定了一個無效緩沖區地址或者參數、指定了不存在的設備等。
有些錯誤由設備驅動程序檢測出來並處理，若驅動程序無法處理，則將錯誤信息返回給設備無關I/O軟件，再由設備無關I/O軟件返回給用戶進程，如寫一個已被破壞的磁盤扇區、打印機缺紙、讀一個已關閉的設備等。
（8）打開和關閉文件：
對設備或文件進行打開或關閉等I/O函數所對應的系統調用，並不涉及具體的I/O操作，只要直接對主存中的一些數據結構進行修改即可 ，這部分工作也由設備無關軟件來處理。
- 用戶空間的I/O軟件
庫函數：一小部分I/O軟件不在操作系統中，是與應用程序鏈接在一起的庫函數，甚至完全由運行於用戶態的程序組成。系統調用通常由庫函數封裝后供用戶使用，封裝函數只是將系統調用所用的參數放在合適位置，然后執行訪管指令來陷入內核，再由內核函數實現真正的I/O操作。
SPOOLing軟件：在內核外運行的系統I/O軟件，采用預輸入、緩輸出和井管理技術，通過創建守護進程和特殊目錄解決獨占型設備的空占問題