转载我是一个键盘

Posted 2020-08-06 米罗西

原文：我是一个键盘

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。

 

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

 

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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