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：块设备和字符设备。- 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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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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- 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; |( _, [
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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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9 F% o; K% K4 `8 J1 h. f7 A8 Q: i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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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：
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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。
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T9 s) t+ l9 F* @' c9 {; H CPU：弄好了没有？
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. {. 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( }
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硬盘：@#￥%……&&#j332:
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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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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
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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。! L7 q2 G5 l. X: h$ j
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后来就改成了这种方式：$ Y# J! o) d8 k9 h; s* [& e
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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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硬盘：我怎么告诉你啊？" B7 c0 A% u7 S
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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。
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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:
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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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" }5 C" ?/ l. l( ~: Y4 lD 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？
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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:
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2 j- D8 x: Y( z6 s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
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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。- ?; @3 ]; G9 h* g7 O
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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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