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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5 O% ?0 x7 \; R T 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。
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3 [/ R2 s6 Q4 v+ }8 b' e$ B* { 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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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！) c* [' u+ `) m4 N+ T& t4 Z/ @; f3 o
L4 Q, L, d! O( S 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。% u! o, W5 J; h% d2 d$ g
+ W @( ^) s9 G. b$ O 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。5 h3 P! X* @. l
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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 z& u" `4 @/ r& G2 x
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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？" Z& T) J& L- }* R7 H& Y4 v+ t5 @$ F
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7 ], a. W0 C: @" g 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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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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. W' V% R; O0 e/ d$ Z( g4 X7 D 网卡说：这个不对的，关键是我们没本事，干不了CPU的活啊。* @" b" b) H) L# @$ q
3 X7 ^4 {! p }1 {+ T& L2 S/ S “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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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。8 r- A" N5 e8 ~2 I% J
2 U4 n) |( m7 I, J总 线 和 端 口 + H) H, }8 G6 ^+ r" c, 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？& M$ D5 q/ w* b5 p* u' 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？- |. f7 i' g& k% U1 q
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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。6 I% Q" Q$ F7 w8 T: D' `+ v
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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？# }- N/ U7 r! @) \
+ Y5 [$ U" C8 J* ?2 ^7 t$ `( r# x; J 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! L& Q# G1 `8 F; y9 C2 q! g
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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:
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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：, I7 A- R4 a3 w6 }. n: n
& g+ P7 q; w2 r: O9 U; b( c8 w. i CPU：硬盘硬盘，把你第1023689号磁盘块的内容给我拿过来3 O0 I. V) B" Y" Z9 c5 y: l6 n
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硬盘：好的。
3 s* Y/ O3 s6 S3 [+ I8 O% n, A8 L" k! w& P! n9 j1 R8 I9 ]
CPU：弄好了没有？# X$ x, q1 M" Q# W
W: ] {$ E* l. v 硬盘：还没有。. X9 Q6 Q0 S6 F# K6 m# v0 b
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CPU:弄好了没有？？% S% W& R- P* G$ x
2 b# B' X5 i; `! ] 硬盘：还没有还没有。。, y! m1 P2 ?( A: R" z
) ]! I* a: _$ j CPU:到底弄好没有？快点！. e6 b8 }% U# R4 l w, N7 P a* t
% }' l5 }' m) G t2 c1 a 硬盘：都说过没弄好了！！！
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CPU:弄好了没有？！
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" @% H5 s1 a& t& V5 u( C9 j 硬盘：@#￥%……&&#j332:* Y( y) g1 O, I; v% _; t4 r
3 b% c) T( e8 _) t- M 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/ A! w7 O: ~ M5 G8 m
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由于CPU比硬盘快百万倍，很明显CPU被浪费了。" b6 Y; G0 [" M9 i. @4 N) V9 g
, E& f' x6 L @6 e中 断
5 u" S1 G+ t- C/ t6 E 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。& x6 Q4 J( x& Q: d& R5 K3 d" 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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硬盘：我怎么告诉你啊？8 T5 Y5 s7 Q S) {" H
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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。" P' n4 }7 n9 c, {
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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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过了不知道多少纳秒。。。。。
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硬盘：CPU，数据好了，赶紧过来取走。) V0 z+ c1 ]4 k
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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：
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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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这样一来系统清净了。#j337:
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, S0 m7 W- ?% y7 @' d1 q! `' y 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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1 i3 C+ {' C3 @) u% ], U& U4 R 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。" ^6 [! L7 Y# Q4 y- v8 p
; l3 i7 C& a; O+ r+ M3 A3 i 这就给我们带来了一个挑战：数据的搬运。: x+ X9 @4 t* y. {) ]$ f
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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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' M% _$ B. C" Q" ~) O* A: H 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。0 Y; J6 i' w5 c
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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。* a- [! u8 X" k2 o8 z' u( W
3 I$ l' Z: ?1 ^6 n 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) V' n' R1 p: }6 ~; [' N) [ Y! `
" M3 F/ @% A, E- P 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。! a3 }7 O& \* E7 T' k1 c$ j
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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？6 }1 c8 Q9 S n( `* {8 C
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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？) U+ B7 c, y% ]" K& l
. [. H2 \1 S$ V 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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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"
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! d! t& K: b) h 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 ?1 H% c/ s2 z& v
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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~
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