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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。
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- F- _! y& }2 ^$ m. a& a% e        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。1 \! U3 ?. l" a8 ^

: h4 l) U& E" k3 S' @2 c1 _9 H4 {        这个世界存在阶级歧视的,我确信。#381:
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        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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2 F- E  w' k  D7 d4 g        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!/ k" w9 r2 I! g  A
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        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- A+ q, O+ K( W8 o- l/ m" g& S
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        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。( b( a" r  M* e: C3 |9 O6 A
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        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。9 ]4 D$ r8 w3 C1 W7 D2 I$ g1 o$ [  i
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        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?) j- e9 O" }9 t$ J) @0 G  f2 M1 Z' d

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一个键盘的自述 crop.jpg
6 S* C9 ]6 p3 J0 s% ?
        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。
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& U( ?7 {9 l# _+ ]- P* k2 e/ Q        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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8 q0 _* {8 V! \/ u; B; D        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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- a) }  z/ j1 n# Y        “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。8 H' @4 Z$ Y, N  k: z! M& \: W
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        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。
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总 线 和 端 口
       
, D# w& w3 Z+ j( O) M        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?
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一个键盘的自述 总线.png

- I' n" h% Q& S8 B. k        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?9 K% n6 d$ @" w; |( _, [
% h1 l' v5 Q' y0 J2 p% a% Z
        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?
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5 h+ l% G/ Z. C% ?; M3 z        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
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一个键盘的自述 内存映射io.png

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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:
) x  N# H/ Z6 j% j, g3 Y- Z
9 N1 |3 H1 A: X+ ^$ |5 n5 K! w" K2 j        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:
+ h) U6 S: E6 e  Y8 P1 H9 ]/ }  c0 D* I. z$ [+ b' b
        CPU:硬盘硬盘,把你第1023689号磁盘块的内容给我拿过来
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        硬盘:好的。
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  T9 s) t+ l9 F* @' c9 {; H        CPU:弄好了没有?
2 |( `2 T$ b6 x  P5 M  z' ^
. {. r; [' ~6 ~) v, S        硬盘:还没有。
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+ P. z/ S9 ?# r; `! _        CPU:弄好了没有??
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        硬盘:还没有还没有。。8 n. q5 P* [& @

- e4 U' _6 ]! c: Y; J3 ~        CPU:到底弄好没有?快点!  H: a' Z- N. q

% g; q" P/ d) H. m4 u  ^: r- X: r        硬盘:都说过没弄好了!!!
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) d8 G3 V" ?* k; t        CPU:弄好了没有?!" S5 u: Y/ R& v$ O% S5 v( }
$ I- L7 Z1 Z' C" f( w+ Q! E
        硬盘:@#¥%……&&#j332:
, }! H& \9 O4 U  |1 C. O9 f# ^6 I) `/ b- e$ I* x0 ^" t3 H0 t/ R3 O5 W
        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
) j  X2 @( Z' ^; {3 @0 S" r9 @- i" F/ S  z/ Z
        由于CPU比硬盘快百万倍,很明显CPU被浪费了。1 p; P6 r5 r# D/ W6 r; S

% K/ n5 N  Z( _- p; k! g
中 断
        6 B8 x! f( c/ s& _1 F1 U) k
        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。! L7 q2 G5 l. X: h$ j
( y: L6 D$ R+ X8 |$ {% ^6 k, m
        后来就改成了这种方式:$ Y# J! o) d8 k9 h; s* [& e
' ?8 V1 V5 }. i0 Z* H& r
        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。
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        硬盘:我怎么告诉你啊?" B7 c0 A% u7 S
* [" e' ]* O5 r' j% j8 c
        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。
( c( i% |% q0 a& _1 F5 w2 n6 a  L1 h  [8 c' d& C+ L
        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)
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: {3 |& S, {7 Z6 t$ ], z9 C9 p        过了不知道多少纳秒。。。。。* }# g6 |9 J! u. l4 u* u/ @" Q. t

3 {( G. m/ _) f: I% {2 x        硬盘:CPU,数据好了,赶紧过来取走。
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# v) W3 p  J$ e/ B, y! f        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.....)
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        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:1 l5 n3 k) J4 Q0 P% ?
       
/ t5 u0 P  E3 o2 W$ [        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。- @! Z! d2 ?7 X* Q0 a
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        这样一来系统清净了。#j337:
1 R% m0 r8 Z- f! q
0 j6 D+ M2 b9 g        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
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D M A
       
6 F# o" e% T0 ]6 `( D4 U4 t3 A7 w        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。  ~! Z& g# n2 |, w1 [1 q

# X+ k$ \+ E/ J2 a+ m% u        这就给我们带来了一个挑战:数据的搬运0 m# x- ?' J" r: W5 |

4 n% j7 q  B3 K$ |( p" L        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。
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        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。
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) L! J/ M! {4 ]        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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8 M! X7 n6 U& K' K) B        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。, L. t4 v0 c7 B. G
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        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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4 _4 w+ j1 o+ c        DMA:CPU,数据已经在内存中了,可以用了啊。
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        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?
5 C# b) a  @% H: _5 ~
8 O: w! x+ X; [8 G. c2 T        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?, ~1 i* }$ {# B7 g4 N" b$ K2 _

! \6 s( K* P7 y- N! Z0 r! N        CPU:好吧,看在你帮我干了这么多苦活累活,就算了吧。#j335:
5 x! \9 J/ q! ~" ]0 n       
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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"  K- P2 D# ~3 K* \6 }& k
1 ^- o- o. |/ j& _2 ~/ N# z5 o
        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。- ?; @3 ]; G9 h* g7 O
6 ]0 v* A; X" f6 Q& b% s
        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~$ D( K4 D$ H. s5 V6 \; |9 K5 t) X
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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

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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:
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
& N1 O+ B  n/ K小河的自述
+ ]' }, s1 E5 l% d, G4 u地球的自述
9 y! P0 {$ |- T) Z' R+ Y7 E森林的自述
* G* A4 S/ U5 x5 `! k4 I% Z海洋的自述5 q+ q2 [4 U. ^0 @6 A& P: U, i: V5 j
..................
雾月 「出类拔萃」 2017-9-4 10:27 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

你们那些十五字神马的完全弱爆了
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