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。 b" S2 E: J8 J
% Z# O9 |1 g$ K% C. g; ` ~* n8 v# j6 Y 这个世界存在阶级歧视的，我确信。#381:; m" y, C1 _9 z) {1 _; T$ E
. }8 C- I+ e, K/ t 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！+ R- L7 q- ~. m+ u9 \5 s% ^
& c6 r7 s, D2 Y; L 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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2 V& ]1 V h, N; j9 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。
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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。( U8 J6 {- T6 P% S# A& Z
9 W6 n T! r# q$ [. q6 N 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？8 _; W/ |, \8 p7 e
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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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* z/ ]) c5 a0 `# E, N6 u 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。" ~' L0 P2 n% y7 B, Z a7 H: H
9 W# K- A9 E. c* u4 i2 ~# j “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。% Q4 g( [3 M6 o
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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。$ ^; w h! g2 u0 T
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总 线 和 端 口 ' q+ p, P; H: L5 |/ { I, c
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？% N" }7 | ^$ e [
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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。! @$ X+ u1 c; @4 I$ f
- J' i. [; i% m* M. e L 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？# t) N9 _ X; O5 D6 o8 q
6 q) d0 S* v0 T$ Q8 [ 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/ C6 Y# o _1 B: |, p1 ^# g0 S0 h
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! `( \/ R' E/ ?9 r |' h' T- X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:' f- l) K; o/ R2 ]" N
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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：/ m. [+ u$ R9 c2 b+ X. w* q
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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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: s2 M8 g2 {6 ^' R8 r) t 硬盘：好的。2 w2 X7 E S6 J: L* \) T* n
- o) S5 d; w( z CPU：弄好了没有？ ?% h% c9 m7 u5 K2 K
! R( U$ E1 L/ F8 P- p, h% y6 Y 硬盘：还没有。& ]3 q9 B7 [+ p7 q5 V( M3 L$ k
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CPU:弄好了没有？？( c, p3 y; n% ~$ t0 a8 L
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硬盘：还没有还没有。。: e) ?! S4 L' \ K: P
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CPU:到底弄好没有？快点！
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' N1 m' t0 P5 g! s/ | 硬盘：都说过没弄好了！！！
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3 ?* @' L2 }& c9 f$ U c CPU:弄好了没有？！
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硬盘：@#￥%……&&#j332:
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+ S7 u0 W }% z; z 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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* @9 ~' Y+ a& N 由于CPU比硬盘快百万倍，很明显CPU被浪费了。/ v8 J2 O! r8 W0 @
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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。
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后来就改成了这种方式：# Q. C) u+ O: c8 ~; h
3 {5 y8 |: n! @ 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。9 x1 R8 V- a( P, |2 R" f+ @+ B
9 w' y/ J" y" c5 H7 g 硬盘：我怎么告诉你啊？: Y& p$ K& r- A6 k* E& _& {! x
) @* P. p& p ]9 ^ 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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% f! W2 L# y. K$ F3 j V 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）0 Q; E' o* w5 z) v8 p9 e% G4 @
1 w3 V9 i) Z$ G7 f) ]3 y 过了不知道多少纳秒。。。。。; k7 t" G" w- [5 ^) |% w: V& d6 ?
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硬盘：CPU，数据好了，赶紧过来取走。" n7 {2 M; H/ b d( N# H
$ ^ Q* L# ~; ~* Y! A 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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( D" x; p B: o4 ]. J 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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' O1 p! b: _% q' h0 v7 r 这样一来系统清净了。#j337:
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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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' v1 \! ~6 Q% r7 a 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。 J( B" V1 X) x- P& r
# T/ M& U0 X }5 H& r$ ? 这就给我们带来了一个挑战：数据的搬运。
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4 R% K$ s# v( a% Y/ U' Y) x 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。" d& }# v/ H5 I9 h
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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。7 Y, O6 G* Y6 G' d
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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。 ~- X5 e8 o y3 D& V
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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。% `- L* A9 S2 _! R4 D* U+ ]
6 U* Q; s& b. f5 G4 I 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 V1 @: b7 ^7 S) d& ]4 j1 J0 P0 K 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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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。#j335:2 J2 e m) Z: Q. Y/ N Y
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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"- B7 M; b& P2 U ]/ N# o
; P5 h1 }: u- W# S1 K" w0 H: C 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。
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) b0 D; ~$ n' g5 A* W9 M 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~8 F# G! p6 h) G1 V0 f) X. a
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