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。5 D0 {, k8 K# ] C# l* s
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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。 ^' w9 g- z$ @" S2 ^. K
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这个世界存在阶级歧视的，我确信。#381:
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; |# U- O3 S2 x, U* [) y( w 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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( e/ [$ X. i" `9 ~2 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！( K) T0 v, G9 d2 `: n
5 \7 F" R# m/ e. ~4 [ 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。
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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。3 t9 ~& m: I0 X" f) L3 }
1 y7 `- h6 Q! e9 C 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。4 Y. U! x+ s$ E
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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？" D; g0 L0 d" [1 i% k5 p2 L8 m
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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。* Y: a G( ?- l3 x7 u1 R, q4 C1 f
3 [3 a( C4 S- r: ?. W! q) b; { 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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网卡说：这个不对的，关键是我们没本事，干不了CPU的活啊。; @( ]" ?% x5 @1 e: }: {/ E
: O, i. U: X/ Y- L y& w4 w “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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, |6 s- `! \( W, O 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。* ?7 \$ j/ P( s# Z) \ H
, s1 d7 }+ q! a总 线 和 端 口
* O9 M4 ~6 E+ t% \/ [7 n4 n 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？. f% f. C- i+ E
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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？
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3 q- S# h1 U$ L 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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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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# ~" s5 o& M1 d" i( U+ _" p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:
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6 a& I' O8 \" O9 Z2 L/ n7 U* z 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：
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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。7 N$ w2 Q: P0 D* _' E: r
: W& g1 Q# [# U, y CPU：弄好了没有？0 Y0 w; J5 S5 s( n) i, e5 j! Q
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硬盘：还没有。
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CPU:弄好了没有？？- Q: b! ?! ]# e( `
7 f8 c; _- Q( t% w) } 硬盘：还没有还没有。。
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CPU:到底弄好没有？快点！0 r; ^ r8 E; G! P' H
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硬盘：都说过没弄好了！！！, o: j& A& G' H/ t8 ^$ l
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CPU:弄好了没有？！; U, o. F3 n% ^1 R2 _
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硬盘：@#￥%……&&#j332:/ t. w0 i+ ^$ f. e2 X
7 t) r: C) ^( e 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
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: u' x' [$ A2 i7 h( D4 T 由于CPU比硬盘快百万倍，很明显CPU被浪费了。* j' h5 \% `* r* i
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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。+ z: Q' y1 J# Y3 [1 K& q1 C
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后来就改成了这种方式：
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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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3 b; z: o. p: n5 O- D; f3 V1 \ 硬盘：我怎么告诉你啊？1 S% c+ E! {, v( ]6 r
, e# _/ k- I( }" y8 G, Q; U1 ` 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。$ t( }( G9 I% [+ s; v( u! d
& \3 B1 j1 V$ _( H) d0 ^ 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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/ e6 F8 U& Q3 U 过了不知道多少纳秒。。。。。6 q0 n- u3 K/ T$ d/ A! i
" D$ s/ D; k5 b( v5 _/ X- H, F" e5 G 硬盘：CPU，数据好了，赶紧过来取走。
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* v3 T* Z( Q, N9 k7 a/ Z 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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* J$ G/ _1 | @; r) {0 d, L e1 e 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：$ ~, `; r* b4 j5 @+ }
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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。
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% K% K( w! c) [7 M 这样一来系统清净了。#j337:
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( D ]6 a$ Z( c; d( U3 ? 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 P2 P1 D$ z7 T2 X
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( J/ T' v+ [1 b( v8 A6 A9 X 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。
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这就给我们带来了一个挑战：数据的搬运。
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, j/ ^$ O# F: g* _: _& e. Y j- v 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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8 ]$ I/ ]5 d: g, F* E. P 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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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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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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DMA：CPU，数据已经在内存中了，可以用了啊。, o0 {. w+ U$ N! K$ Y
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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？
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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？
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CPU：好吧，看在你帮我干了这么多苦活累活，就算了吧。#j335:- w0 o0 H, E) q2 Y' G! f0 C4 K" U
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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"6 V' |$ L- x5 W. a9 }2 q! e
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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。9 e) ^8 C9 ^1 v& u7 H
3 N, B/ y/ w E2 K. z3 e 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~
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「仗剑天涯」
变色卡
古黑论