我是一个键盘

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二等公民这个世界存在阶级歧视的, 我确信。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。 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。 (码农翻身注: 参见《我是一块硬盘》)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。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。

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?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。查看图片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查看图片轮询(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。 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 : @#¥%……&&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。 (码农翻身注: 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 )

DMA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1023689号磁盘块的内容发送到内存的xyz 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xyz地址去。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xyz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。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?  

这个问题留给你了, 欢迎给我回复留言,正确答案有奖励啊。 

(完)

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