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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。

    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。

    这个世界存在阶级歧视的,我确信。#381:

🧑‍🍳‎🧢🖲🤔👏



    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”。

    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!

👈🚗🥩🆎🐶‌    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

    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。

    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。

👵‍👒✒😀🦷



    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?


一个键盘的自述 crop.jpg
👮‍♂️‏🔌😛🤛
    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。

    我说:唉,也是,我们的祖先还是出现晚了,没有占据好地界儿。

    网卡说:这个不对的,关键是我们没本事,干不了CPU的活啊。

👩‌🩴🪟🤮🤌



    “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。

    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。
    🧑‍🍳‍🩰🏮🤩👌
总 线 和 端 口
    
    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?

一个键盘的自述 总线.png

    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?👵‏💍💾☠👏

    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。

    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?
🧑‍💻‍👔😈🤌
    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

一个键盘的自述 内存映射io.png

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:
🧓‏👜📞😍👏
    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:

    CPU:硬盘硬盘,把你第1023689号磁盘块的内容给我拿过来

    硬盘:好的。🧑‍💻‌💄📷😫💅

    CPU:弄好了没有?

    硬盘:还没有。

🧑‍🚀‏💎⚒😀👍


    CPU:弄好了没有??

    硬盘:还没有还没有。。

    CPU:到底弄好没有?快点!‎🧥🔒🥲👏

    硬盘:都说过没弄好了!!!

    CPU:弄好了没有?!
👴‌🧢✒🤔✋
    硬盘:@#¥%……&&#j332:

    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

    由于CPU比硬盘快百万倍,很明显CPU被浪费了。
🙏🏦🅾🦮‏
中 断
    
    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。

    后来就改成了这种方式:👨‍🎨‏🧣📱😋✌

    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。

    硬盘:我怎么告诉你啊?
👩‌👜🧹😅🤌
    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。

    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)

    过了不知道多少纳秒。。。。。

🧓‍👒🩸🤪🤝



    硬盘:CPU,数据好了,赶紧过来取走。

    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.....)

👂🎠🥑📳🕊‏    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:
    
    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。

    这样一来系统清净了。#j337:
🙏🏠❓🪶‌
    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
    
D M 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。
👏⛄🍭✔🐯‎
    这就给我们带来了一个挑战:数据的搬运

    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。
👨🦱‌🎩✏💀👃
    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。

    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。

    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。
🤟🔥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)

    DMA:CPU,数据已经在内存中了,可以用了啊。

👮‍♂️‎👞💿😚✍


    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?

    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?

    CPU:好吧,看在你帮我干了这么多苦活累活,就算了吧。#j335:🧑‍🍳‌🧢🪜😛👆
    
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"

    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。
👩‏👠🪝🤮👄
    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

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

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

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记得作文也是这么写的
小河的自述
地球的自述
🧠🗺🍪📳🐒‌森林的自述
海洋的自述
..................
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
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