Question

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。

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。

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。

（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。