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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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。' X* w q; k6 J
( ]/ j0 i+ i& p. x, e; S 这个世界存在阶级歧视的，我确信。#381:
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, V, N, u/ ]" m+ m$ D2 v k 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”。5 U9 R9 j: p' h0 K
, k) M1 M" V; Z+ l# ~# 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！
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; O, }5 ^$ |7 b0 O- t1 X 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。
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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。& q% {4 H; j1 `2 b2 T. 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？
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2 R+ F$ M+ Y5 {" n% u 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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5 B& B/ K0 d* e' T N) S" T 我说：唉，也是，我们的祖先还是出现晚了，没有占据好地界儿。/ e4 h6 l. L7 b/ y# V" u0 z
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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。
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4 L! r/ }- W" G5 b2 K1 P “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 I ~) l. i8 u* R
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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。/ u4 [" ?( L3 g& x$ I6 M3 K
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总 线 和 端 口 . c: G, c/ Y) O5 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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- y! X2 n( b/ V. D- P K 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。8 E# P7 L* g. r. |! ~
j9 T Z( M6 V+ M 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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7 M/ |* T6 `' z) e- j$ E& J' E 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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' g8 P# F7 X/ o# o, a$ L) g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：3 `: k9 B3 R# a5 U; F
9 J* h ]3 T) g" R3 d' F! k2 p) t! z$ m CPU：硬盘硬盘，把你第1023689号磁盘块的内容给我拿过来0 K2 z: ~/ y H2 h# F- b5 ~: l
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硬盘：好的。: c% G# O( g0 N6 J
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CPU：弄好了没有？
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硬盘：还没有。5 x Z3 J; ?0 P
8 P3 e' l/ @/ L8 G CPU:弄好了没有？？
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硬盘：还没有还没有。。& h+ ^# X" I) Q7 I
; P e7 W" m# P3 `6 V CPU:到底弄好没有？快点！
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硬盘：都说过没弄好了！！！# \5 k, G+ ^ a. F2 {: d8 D( ~
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CPU:弄好了没有？！: V! C% j5 E1 s& z, f, G
% {4 z. J1 _9 x 硬盘：@#￥%……&&#j332:
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+ r( F/ S/ v9 P, P 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。
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' K, y: v& |& l/ u5 w中 断
3 N9 `8 [8 ]8 C, y8 B5 X 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。- {! L* i# C; X1 ~# s, ?
' u) S6 E- G0 r' j) {8 \ 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。# A2 z4 d& P3 Q) s: q: |. r& s9 D U
) x4 }3 y: [5 f 硬盘：我怎么告诉你啊？# U# r% Q- P4 u2 ~1 X1 j! b
* A1 `$ t) B3 R E+ P$ o5 F6 p 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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; _7 d2 q% m3 D9 `) U2 f! D: z9 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）2 ^4 H! _& ?- W. f
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过了不知道多少纳秒。。。。。: g1 |9 \8 b- w" S/ C
Q) s5 F' j+ Y 硬盘：CPU，数据好了，赶紧过来取走。
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; P* T" i2 u0 d8 X 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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! M) Q6 K7 R0 y9 d% X+ y* m/ {- G 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。4 g5 B4 |: U, E: [ h8 y; a' d
& k1 k' [2 A* s1 r# L 这样一来系统清净了。#j337:$ a( j1 n- S7 {( f+ T# }
" ?5 ], E2 h1 j7 d 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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6 l+ K3 K/ h3 Z' ~) s! G6 }, I) [ 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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/ i8 X# y0 J$ ~8 W5 s5 ~( l- g3 F 这就给我们带来了一个挑战：数据的搬运。 a+ {' t4 x+ s; j7 v
8 Y) R& o" X# i4 H3 @ M- o* A 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。! M0 V- O+ Y/ m- {' P- s% o
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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。6 Y, X- i, h& e ^& b
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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。) W& x' M s/ @* l. e; N
+ _# w& v* M1 Q" w, D) {: L3 _ 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。: `& q, b C* N
& V, G! B% Y( e7 j$ U3 e 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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( F+ t+ g, ?2 W6 D* `& T7 R 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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9 ~9 s7 A6 B; t CPU：好吧，看在你帮我干了这么多苦活累活，就算了吧。#j335:$ \# V9 y* X0 q. O8 L; u7 _3 u
+ z* o$ F4 B4 S, T7 V5 ^; s E. d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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o% F" \, A& }- q) 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。2 h: G& h q C: N
5 ~/ i6 P5 o U; {- W- Y3 g/ C7 h7 t 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~. U( t3 e% `. L# s& y) u9 x" k
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