我是一个键盘，和我的兄弟鼠标一样，是个典型的输入设备，像我这样的I/O设备多如牛毛，比如显卡，声卡，网卡，打印机，扫描仪，CD-ROM等等。# m1 I I! f2 W; r* N
% C) H" J2 j$ {
CPU和内存很明显是第一等公民，这一对好基友占据着二环内最核心、最金贵的土地，居高临下对外发号施令，从各处“抢劫”二进制数据到自己的地界来。其他的都被归类到二等公民，居住在5环以外，统称为输入输出（I/O）设备。, i; H" G2 R; V) E' `# Z& m0 H
3 _3 n2 u# t+ ~! R, }' { 这个世界存在阶级歧视的，我确信。#381:( g2 E2 G, h; x! _8 k l* s
4 ]4 N6 Y) o( u% w/ n5 y 有些设备居无定所，通过USB临时接入到计算机，待个三五天就走，典型的“北漂”。
" l, B/ c2 G/ j$ }, U5 L/ A8 x- o6 H% U$ e
哦对了，我必须得说明，硬盘的地位有点特殊，虽然它也是个I/O设备，但是它存储着所有的程序和数据，包括操作系统老大！, T4 U7 ]( v: ]3 d6 {# Z! H6 o
* w0 B2 E) \* j. v1 C 虽然经常被CPU和内存嘲笑，但硬盘应该属于1.5等子民，住在三环以里。操作系统老大把我们这些二等公民笼统的划分为两类：块设备和字符设备。) o& a: h, A1 ~7 I: D. l
2 X5 p1 n# c+ K8 A 硬盘，CD-ROM,U盘是典型的块设备，数据存储在固定大小的块中，每个块都有一个地址，就样门牌号那样。像我，鼠标，打印机很明显就是字符设备，哪有什么块结构？ 就是用一个个字符组成的流而已，也没有什么地址。- S) P- i/ p) { A& N* ]% h7 w3 I
+ D- ?1 K! k- J
还有一种分法是存储设备（硬盘），传输设备（网卡，调制解调器）、人机交互设备（我和鼠标，显示器也算），不管怎么划分，我们二等公民的身份都无法更改，也住不到二环去，那里房价实在太贵了。. l2 U1 `3 b5 W* r# |
% m6 o- Z& a' ]- L 夜深人静的时候，我和二等公民朋友们经常探讨这个经久不衰的问题：咱都是人，为啥就住不到二环去？4 o+ J$ b# l' x. E
2 H8 V1 [5 N( P+ g. l
, S+ E V K4 N% F; i
6 H7 H9 T H2 O 鼠标说：这都是命啊，计算机刚发明的时候，只有最基本的计算功能和存储功能，哪有什么显卡，声卡，网卡？CPU和内存的祖先占据了二环，并且一直在那里经营至今，现在都不知道是多少代了。
* K2 t1 @& z* |- R% e3 h' S- U
0 G, h# |5 R) n" P5 L+ p 我说：唉，也是，我们的祖先还是出现晚了，没有占据好地界儿。
. c. h& k6 u" T8 I$ Y+ N
6 s/ J1 a" d" O0 f 网卡说：这个不对的，关键是我们没本事，干不了CPU的活啊。
5 o9 i' u6 D" o2 N2 [ a+ k1 ?) q. t. U* r5 i( e
“那算啥，我的GPU运算速度已经很厉害了，很多超级计算机还用我做运算部件呢，知道不？”显卡说。
% @6 f* m' W0 y9 R* Z
0 v U. l: K1 q' l7 x. z- V: X 鼠标说：别想那么多，其实二环生活也不轻松，你看看一开机，CPU阿甘和内存就忙的不可开交，累得要死。像我和键盘，尤其是你键盘，除了码农写程序，半天都不用一下，还是知足吧。0 w, [" R3 u4 Z
, g8 `8 o2 x9 e总 线 和 端 口 5 Z5 M6 e3 x3 e( j5 X
虽然我们是住在五环外的二等公民，但是CPU还得和我们打交道，那CPU是怎么和我们联系的？6 w$ m: X, ?" B- h( _
5 n) l9 M1 X4 J5 M( h
! _' }3 M, b" E; y, l! C% J 一种办法就是CPU和每个I/O设备之间都扯一根线，有多少个设备就扯多少根，组成了一个以CPU为中心的星型布局，很明显这样太麻烦了，尤其是来了新设备怎么办？# f$ J8 } W- ]( q. A, J2 N2 _1 L% {
5 N% u, `+ o. N3 P4 E2 m
后来我们采用了“总线”这个概念，大家都挂到这一条“总线”上，CPU想找谁了，就在上面吼一声。
4 S$ Z6 E# S* w7 m* }" ~! }& P! x- {1 h
当然这种方式也有缺点，当一个人在总线上吼叫的时候会霸占总线，其他人都得等待。还有这么多设备，CPU怎么知道谁是谁？
( R8 p6 K2 ^. ~# N: g
/ y. K2 U# q2 K' z( q+ ] 首先肯定得给每个设备编号，比方说硬盘（更准确一点是，硬盘控制器）的编号是320,图形控制器的编号是3D0，这个编号就被称为IO端口。有时候CPU会更懒，他和内存商量好，把我们这些IO端口映射到内存中去，这样CPU访问我们的时候，就像访问内存地址一样了。称为内存映射I/O; _/ }+ @( t( S- Y) ?" p; W
8 b" _3 r" F8 s% U* p1 k v9 |+ o& l7 p' X* [& i" L' r1 k9 {
轮 询（程序式I/O） 现在CPU知道了我们在哪儿，还知道我们的编号，接下来就可以和我们通信了。这时候我们又遇到了那个老问题：CPU太快，而我们I/O设备太慢，毕竟机械设备的速度是无法和电子设备相媲美的。#365:
- \) c( T- Q* z% G5 u8 C! _+ p0 u, }" B* H8 \7 x0 m% D
比如说有个进程要读取硬盘上的文件，CPU代表该进程向磁盘控制器发出指令：+ O, |8 E, s5 L7 t
, @9 c8 k4 e( ]) n2 v2 c( a* [ CPU：硬盘硬盘，把你第1023689号磁盘块的内容给我拿过来
- W6 \3 ?# J7 D% J8 O* a
% W3 M0 r6 w( j! c: C0 E 硬盘：好的。
3 i! Y7 s0 s; y. Y
+ d* l+ [1 |& _, L* M; _0 x CPU：弄好了没有？ A' _& }. }5 u0 u. k/ n6 ]7 H$ s
- o6 X( P) U f% p2 Y+ k; J2 ]
硬盘：还没有。
& R3 u0 d d5 p& y* }% o1 r: o1 t9 V
CPU:弄好了没有？？
: Y1 Z; O5 n, V: x! Z4 J( D$ A2 F! F. v; Q" V
硬盘：还没有还没有。。4 e/ ^, \8 ?9 s% u% n. O* ?) E
5 `4 ?9 `1 [0 Y7 u0 K
CPU:到底弄好没有？快点！& m% S8 B6 p- o. X+ r3 U0 v
% ?: s0 s9 v6 B9 ]( F/ j6 H 硬盘：都说过没弄好了！！！
" D5 s5 c6 x- F+ B. J, {
, N) r0 ^9 X$ Z# n, B! o% K4 j; L CPU:弄好了没有？！
3 |/ o) a) d+ [/ T3 K
5 d7 u! q8 v, e; q8 V" O* H' I 硬盘：@#￥%……&&#j332:& b& J% ^; J* G. S- N
- T) }) Q! X; I4 \- M0 Z( R/ c
CPU一直霸占着总线，不厌其烦的问硬盘弄好了没有，别的啥事也不做，这叫做轮询，或者叫做程序控制的I/O
4 i2 D5 r- B" Y7 V1 z" o9 _8 b9 p6 S5 R3 T
由于CPU比硬盘快百万倍，很明显CPU被浪费了。
0 `+ S3 v+ {+ O3 a0 q) Q3 i S- w0 f/ y0 w
中 断
+ m) V8 n3 O# Y. q a 大家都觉得这样不合适，因为CPU忙着和硬盘“卿卿我我”，把别的I/O都抛弃了，像我，鼠标即使有什么数据等着CPU读取，他也不搭理我们。, G# m9 Z6 S9 Q3 [) e# Q% g
& b) y' D/ O" h0 a: Y/ ^3 j' r$ m
后来就改成了这种方式： B& T8 `% T) h, `9 t4 n
+ t) L! s6 u9 }# o2 W/ e# r% y d8 L7 @
CPU：硬盘硬盘，把你第1023689号磁盘块的内容给我拿过来，你弄好了以后告儿我一声。. _; i; P) p" Z7 g& q$ s
0 q+ _! K' `! ?) p/ j# N 硬盘：我怎么告诉你啊？
1 z& g' ?0 ^. _
! ^- l8 H* s8 N3 e0 [8 Z+ j g CPU：我有一个中断请求线，你弄完了可以往这个地方发信号，我每次执行完一个指令都会检查。3 X" F9 h+ w: G% V: F
" O$ I0 {: [0 K; m; \ 硬盘：好的（CPU干别的事儿去了，当前进程A阻塞，另外一个就绪的进程B开始执行）
& Z$ S6 j5 S, C% B1 c) ~8 \+ ~
! e' l W, F* R! q 过了不知道多少纳秒。。。。。
5 [4 Z3 I1 A. P1 \5 y1 h6 x
# N8 w; d l8 D4 \6 H. O 硬盘：CPU，数据好了，赶紧过来取走。2 x% L% i' a% n. g* Y# F
h: z2 A: E$ t$ R1 {; v/ v CPU：稍等，我把当前的进程B给保存了，然后就去处理。（CPU执行中断处理程序，读取数据.....）4 B0 L/ X, J$ O; F% E* I! i- E
/ j) z6 X9 g' i) }) d 这就是“中断”方式，有了中断以后，这些平时都不怎么露面的I/O设备都跳出了抢着发中断，“调戏”CPU,CPU乱成了一团，系统也乱成了一团。CPU不胜其烦，后来专门找了一个叫中断控制器的家伙专门负责协调，这家伙确实厉害，一上场就说：0 j2 c# e% U; F
) n( a, S8 Q! L: Y4 r 只有我才能给CPU发中断，你们的中断请求统统发给我啊，我来裁决谁的优先级高，谁能“调戏”CPU。1 B7 a: ^! ?3 |! O8 e' V' H+ P
7 _* b+ b( T1 v 这样一来系统清净了。#j337:! _6 @; I% A6 P8 q
6 b+ r {3 E3 D4 Y3 A" f+ ^
注：这种“中断”的方式，其实就是一种异步的、事件驱动的处理思想，在计算机软硬件上应用非常广泛，例如Node.js,AJAX等等* H5 H- k0 a2 \+ H: Z1 P; `# R
8 R# O: s/ G! u+ j5 p
D M A
/ ^' Y2 Q0 V k. { 但是我知道，CPU和内存才是系统的核心，CPU运算时候只认内存这个好基友，所以所有的数据不管是谁产生的，不管是1.5等公民硬盘，还是2等公民键盘，鼠标等，数据统统都得搬到内存去。
- K. H' D! M- U4 ?3 A
' y8 @- Z9 s5 D, q 这就给我们带来了一个挑战：数据的搬运。& C1 T- l z9 U' d6 {4 M
: [% S4 t( s! p! ?3 Q- M
中断的方式对于小数据量传输是有效的，像我是一个键盘，每次你按下一个键以后，我就会发出一个中断告诉CPU，CPU就能发出指令，把这个一个键对应的字符搬到内存。+ K% r/ P( s' @- r
& ]! G* q/ M! ]
但是对于大数据量传输尤其是像硬盘这样的，CPU还得花费大量的时间和精力不断的发出指令，让磁盘控制器把数据从硬盘搬到内存去，这相当于又陷入了程序式I/O的陷阱。对于类似这样的情况，我们也有办法处理，就是用一个DMA控制器，使用这个专用的处理器进行I/O设备和内存之间直接的数据传输，脏活累活都被这个DMA给处理了。" R; f/ `" V. n* ~/ N) D; o$ F/ a& i0 _
1 e. K( @2 N" v9 w CPU：硬盘硬盘，把你第2333333号磁盘块的内容发送到内存的xxx地址去，弄完了告诉我，我去干别的事儿去了。
# t4 n& d0 l. m, j* ^
) v$ f" C8 l5 r9 n- N5 i% W 硬盘：好咧，DMA，我这儿有数据要传输，数据一共有4096个字节，要传输到内存的xxx地址去。
* V& }5 B3 p7 ?- ^. h. P7 \5 a
4 u9 B* l+ _- x, C: h3 k7 f DMA：没问题！（DMA控制器开始哼哧哼哧的干活，把这4096个字节复制到xxx地址）
9 E. \+ n0 e0 y3 D
. g8 `# g9 ~0 A( j- I' O6 E* u \1 | DMA：CPU，数据已经在内存中了，可以用了啊。
& ^; T0 u+ f; Y7 x
0 }$ ?0 b- z- I1 `( Y CPU：怪不得刚才有时候我没法使用总线，是不是你小子霸占着啊？* ]& Y+ e2 l0 U) k$ y
) \9 K$ m5 u/ f" Y0 N# y! Q DMA：我不用总线怎么搬运数据到内存？我也没有挪用几个时钟周期啊，再说了你还能使用你的一级缓存和二级缓存不是？4 S, D# ]0 G7 L7 F
- t& D2 M0 x( z" C CPU：好吧，看在你帮我干了这么多苦活累活，就算了吧。#j335:
8 E$ G- B ^1 X- r9 I
, I, C8 i( a* f6 m键 盘 的 工 作 原 理 说了这么多别人的事儿，也该说说我自己了。我和鼠标一样，是个非常简单的I/O设备，每次你按下和释放键盘上某个键的时候，我就会产生一个扫描码，例如你按下A,扫描码是"1E",释放A，扫描码是"9E"
$ I. L; c! l( `% V) \3 m! \8 ]( M8 d# P0 C' e9 o+ w
我把这个扫描码放到0x60端口，然后向CPU发中断，当然得通过中断控制器了。CPU会调用中断处理程序，读这个0x60端口，取到扫描码，翻译成ASCII码就可以使用了。
4 F7 f0 Z% {6 J' D+ c8 u* q7 ~6 K
5 }' V+ Q5 \% B* t) T6 ~. F 那么问题来了，假设系统中有好几个进程都在等待键盘的输入，这个中断处理程序获得ASCII码发给谁呢？怎么发过去呢？这个问题留给聪明的小伙伴们~0 |! m) Z6 j' D# v
I% `. \1 V6 j5 T6 r- ` |
「仗剑天涯」
变色卡
授予在论坛上发表了大于 100 个主题的会员。