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一个键盘的自述

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仗剑天涯吾是土豪 发表于 2017-6-25 13:31:28 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

今生相逢便是缘分,何苦去怨恨,何苦去仇视。

        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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4 Z  I* l4 s7 j# n. P1 d1 g        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。/ j4 B( w1 l* I3 i& r7 b; D

) Z0 T1 c" b7 ]; H% c' Z        这个世界存在阶级歧视的,我确信。#381:, P; i/ W) O$ n/ [8 B# `

" N7 j+ \& |0 D. D, I        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!" j/ x5 A$ R8 l- D
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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:块设备字符设备, E& x! a, L' p
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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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$ ?9 g  T6 j; F0 L        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。
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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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 crop.jpg 一个键盘的自述

2 w1 X( O5 T0 v        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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        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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; Z/ ^& N, U5 |- m# 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。
4 Z% X( J$ x9 T, a) m
1 I1 v: A$ ~$ ]        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
        . n, T% B6 w* P0 C3 O: H" ?
        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?. H& [, a' \+ X" [. b
( S% O& m( r0 h  P9 |- D2 X
 总线.png 一个键盘的自述

% @7 f: B2 e* x- t) `; N' \9 C9 J        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?
5 O# Z0 F9 D& W; _/ \) _7 l) |% ^) q
        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。( w. x+ W! {3 U- _% o- `
1 i; o1 A$ l& C% E, E' O
        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?
& W4 k  I- _2 _7 i  H6 v/ a1 S1 f: q% M6 K7 o% H/ x& S  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: |; {0 U+ @9 n$ I# o( o: p( z
  g: L3 K$ E2 u; ^
 内存映射io.png 一个键盘的自述
% u% W  K5 ]4 l- M+ W1 W
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:
4 e- b- g0 V  d6 P5 z' J# V  e+ s' z' [8 K% e. ?6 ^/ I: @
        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:
0 Q9 ^* |9 J/ l9 U9 n# |! N
+ k- f" `: [& ~. Q2 v4 }$ D        CPU:硬盘硬盘,把你第1023689号磁盘块的内容给我拿过来
# b/ |$ v/ u3 V" i. Z3 l5 N* b) x0 J/ \' v3 k4 ^
        硬盘:好的。) }$ {% S& d  d

6 {& |/ {. e+ q# T2 B) T2 _        CPU:弄好了没有?
% S' k. L! W4 M/ M- ^: }! X  o0 ]8 Y& H
        硬盘:还没有。8 |! x. N# G( e6 t$ V

) K1 z6 b+ I) o  V3 W, c        CPU:弄好了没有??9 F# F8 N9 ~7 E. Q( ~1 v1 l

7 `; l- Z1 d* ~* m        硬盘:还没有还没有。。
  s. L# W( n7 g. ^7 y
' m3 Q6 u. O5 Z        CPU:到底弄好没有?快点!
$ I  a; y1 \! z6 T; E
- r; n7 o# {# x: i7 G; r- `        硬盘:都说过没弄好了!!!
. J1 I  F# z- ]& W5 ?( B4 e: h
0 @! X3 q- W9 e7 \        CPU:弄好了没有?!
. d( Z6 e5 a- r) d# h+ \7 }: c* d6 L- `2 z3 v) Z
        硬盘:@#¥%……&&#j332:7 w$ \2 o. D/ n  c1 D5 |9 u+ B) S
7 a* A, z' @0 y
        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. @6 u+ H% b) G& }( h* A. Z
) e' G5 c5 t5 H$ X1 c9 I
        由于CPU比硬盘快百万倍,很明显CPU被浪费了。' k2 i9 l7 {! a% b1 R1 @
5 E: k# |; m6 W- T, ~4 m2 T) q
中 断
        ; a* p; O6 M7 m- d
        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。
; J! d1 b0 Q7 k) Q
6 ]! S2 A' j$ o        后来就改成了这种方式:
) t$ ?" A' h3 N  p9 F7 O9 X4 H" ~( K1 q2 u+ k/ S
        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。6 x# I: u8 d& k
3 ^* ?* y* N6 f1 b; \0 O8 ]
        硬盘:我怎么告诉你啊?
( A# {  V) @: ]- K" ~% F2 c( O: a; `5 t$ v  ~5 y0 o+ K. M; D& s2 W7 ~% u% d
        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。
; Y9 a5 ?, g- k% l# k+ {( d6 R' v9 G
        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)
* _& s' n' ~, m- W- p
7 n( }$ T5 r* A5 g9 O        过了不知道多少纳秒。。。。。
" `, H, f* L& A! [5 a) H$ @: V2 B. d2 w+ q5 r0 R) {
        硬盘:CPU,数据好了,赶紧过来取走。- c8 A# W! `4 S7 {5 l* W( W
, m( C# f; i9 m7 t5 ]; V4 ~
        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.....)
2 o$ F" i: S7 w/ Z  p
9 V. [# v. x+ E& s        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:
8 e6 o( t2 S9 T  ~        - V6 `$ H7 m+ }1 ]
        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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& W6 Q+ T( l0 @  Q8 s8 G" p3 R9 e2 \- B        这样一来系统清净了。#j337:. `9 M9 S" F4 B: J! x7 P7 H  u) _

8 M+ s* w! v  O4 k) [& r; @& Y/ I        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
; K4 ~6 R5 [5 Z) A# Y) v% Z& y       
/ R& D8 D, t. m/ P4 i8 l
D M A
        % @# U% u: x3 h5 ]" [1 g$ h
        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。- c4 l+ b) ~: E4 _) i$ U: ?

" ?( I9 \5 x' J% ~8 t& T# [5 ^        这就给我们带来了一个挑战:数据的搬运: T# _" G% H2 Q$ ~1 S

# w1 u" U% g8 \* u$ g        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。
" e; e" [8 o7 p
) K9 d' I2 z5 K  B        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。/ L6 w' |9 |. {0 R+ @- n4 W7 w

  e9 C) e8 _# Z' F        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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4 n2 k, E1 o8 ^3 N& M' L2 f5 v        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。* p  l% T+ u+ Q# T$ g

' N9 ]4 e0 c. e( J0 F        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)
8 W3 \/ ^; X4 r8 u' D  O
! C$ ?0 y# ^' ~4 \        DMA:CPU,数据已经在内存中了,可以用了啊。) S0 _0 ~: d3 s7 Q9 A" l' H
/ J2 F; Y% x5 M3 B  [
        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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0 ~% }2 h5 w6 w9 Q: z        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?8 J; |* o$ a1 X. f  R
9 X. q4 j: |& F: W
        CPU:好吧,看在你帮我干了这么多苦活累活,就算了吧。#j335:- x. b7 S+ x7 O: v6 R
       
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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"1 h$ \' m* u( H( I1 I
4 i* k1 I3 a* c. v  R
        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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        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~
! K: O1 Q6 h  R0 u* s) N+ @( j+ n: {1 ^& N( `; C6 ~

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$ @. T: n" N& q* t, S
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