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一个键盘的自述

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仗剑天涯论坛大牛 2017-6-25 13:31 |显示全部楼层

今生相逢便是缘分,何苦去怨恨,何苦去仇视。

主题破百 赞助会员 金点子奖
        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
       
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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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一个键盘的自述 内存映射io.png

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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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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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中 断
        % n& x) t- R. f& n
        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
4 `: f" Z  |1 Q7 W: P3 X  v
        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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D M A
       
( 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
( a: l( T& L9 ?! z8 o0 x2 ]9 t! g
        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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流星☆坠落 「出类拔萃」 2018-1-25 15:13 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

锄禾日当午,发帖真辛苦。谁知坛中餐,帖帖皆辛苦!
柔光的暖阳 「龙战于野」 2018-1-20 23:15 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

回个帖子,下班咯~
站在你身边的人 「出类拔萃」 2017-6-26 18:30 |显示全部楼层

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学到了#j335:
一个袋子砸在了站在你身边的人头上,站在你身边的人赚了 2 个 金币.
清风徐来 「龙战于野」 2017-6-26 20:23 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

记得作文也是这么写的% J/ a0 G3 E& P' b
小河的自述
0 g) D1 E6 Z. u, o: l地球的自述
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海洋的自述5 w/ S% O2 ^; u1 e# C( @2 ~! p9 n
..................
清风徐来被钱袋砸中进医院,看病花了 1 个 金币.
雾月 「出类拔萃」 2017-9-4 10:27 |显示全部楼层

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你们那些十五字神马的完全弱爆了. D) q) F$ `/ _5 x  G' n" y
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