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一个键盘的自述

仗剑天涯论坛大牛 2017-6-25 13:31 |显示全部楼层

今生相逢便是缘分,何苦去怨恨,何苦去仇视。

主题破百
        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”。
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        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
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一个键盘的自述 crop.jpg

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。
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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。
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        “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。
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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
一个键盘的自述 总线.png

! _' }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。
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        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

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一个键盘的自述 内存映射io.png
& 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。
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) 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。
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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)
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. 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。
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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

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流星☆坠落 「出类拔萃」 2018-1-25 15:13 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

锄禾日当午,发帖真辛苦。谁知坛中餐,帖帖皆辛苦!
柔光的暖阳 「龙战于野」 2018-1-20 23:15 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

回个帖子,下班咯~
站在你身边的人 「出类拔萃」 2017-6-26 18:30 |显示全部楼层

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学到了#j335:
一个袋子砸在了站在你身边的人头上,站在你身边的人赚了 2 个 金币.
清风徐来 「龙战于野」 2017-6-26 20:23 |显示全部楼层

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记得作文也是这么写的
& ], g3 v/ Y% f! p& ]' ~! M小河的自述5 ]9 N; f6 x6 T/ U8 {6 Q8 w& w: O
地球的自述* I& U7 g' H7 F$ l. m
森林的自述$ F( o) u! B8 n0 T" z2 J
海洋的自述% ^  H* g- S  Y8 z+ x2 ^' x& v: O
..................
清风徐来被钱袋砸中进医院,看病花了 1 个 金币.
雾月 「出类拔萃」 2017-9-4 10:27 |显示全部楼层

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你们那些十五字神马的完全弱爆了
, U# k) K* n: j
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