前言

鍵盤可以說是我們最常使用的輸入硬件設(shè)備了，但身為程序員的你，你知道「鍵盤敲入 A 字母時(shí)，操作系統(tǒng)期間發(fā)生了什么嗎」？

那要想知道這個(gè)發(fā)生的過程，我們得先了解了解「操作系統(tǒng)是如何管理多種多樣的的輸入輸出設(shè)備」的，等了解完這個(gè)后，我們?cè)賮砜纯催@個(gè)問題，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)問題已經(jīng)被迎刃而解了。

設(shè)備控制器

我們的電腦設(shè)備可以接非常多的輸入輸出設(shè)備，比如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、網(wǎng)卡、硬盤、打印機(jī)、音響等等，每個(gè)設(shè)備的用法和功能都不同，那操作系統(tǒng)是如何把這些輸入輸出設(shè)備統(tǒng)一管理的呢?

為了屏蔽設(shè)備之間的差異，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)叫設(shè)備控制器（Device Control）?的組件，比如硬盤有硬盤控制器、顯示器有視頻控制器等。

計(jì)算機(jī) I/O 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因?yàn)檫@些控制器都很清楚的知道對(duì)應(yīng)設(shè)備的用法和功能，所以 CPU 是通過設(shè)備控制器來和設(shè)備打交道的。

設(shè)備控制器里有芯片，它可執(zhí)行自己的邏輯，也有自己的寄存器，用來與 CPU 進(jìn)行通信，比如：

通過寫入這些寄存器，操作系統(tǒng)可以命令設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、開啟或關(guān)閉，或者執(zhí)行某些其他操作。

通過讀取這些寄存器，操作系統(tǒng)可以了解設(shè)備的狀態(tài)，是否準(zhǔn)備好接收一個(gè)新的命令等。

實(shí)際上，控制器是有三類寄存器，它們分別是狀態(tài)寄存器（Status Register）、?命令寄存器（Command Register）以及數(shù)據(jù)寄存器（Data Register），如下圖：

這三個(gè)寄存器的作用：

數(shù)據(jù)寄存器，CPU 向 I/O 設(shè)備寫入需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，比如要打印的內(nèi)容是「Hello」，CPU 就要先發(fā)送一個(gè) H 字符給到對(duì)應(yīng)的 I/O 設(shè)備。

命令寄存器，CPU 發(fā)送一個(gè)命令，告訴 I/O 設(shè)備，要進(jìn)行輸入/輸出操作，于是就會(huì)交給 I/O 設(shè)備去工作，任務(wù)完成后，會(huì)把狀態(tài)寄存器里面的狀態(tài)標(biāo)記為完成。

狀態(tài)寄存器，目的是告訴 CPU ，現(xiàn)在已經(jīng)在工作或工作已經(jīng)完成，如果已經(jīng)在工作狀態(tài)，CPU 再發(fā)送數(shù)據(jù)或者命令過來，都是沒有用的，直到前面的工作已經(jīng)完成，狀態(tài)寄存標(biāo)記成已完成，CPU 才能發(fā)送下一個(gè)字符和命令。

CPU 通過讀、寫設(shè)備控制器中的寄存器來控制設(shè)備，這可比 CPU 直接控制輸入輸出設(shè)備，要方便和標(biāo)準(zhǔn)很多。

另外， 輸入輸出設(shè)備可分為兩大類 ：塊設(shè)備（Block Device）和字符設(shè)備（Character Device）。

塊設(shè)備，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在固定大小的塊中，每個(gè)塊有自己的地址，硬盤、USB 是常見的塊設(shè)備。

字符設(shè)備，以字符為單位發(fā)送或接收一個(gè)字符流，字符設(shè)備是不可尋址的，也沒有任何尋道操作，鼠標(biāo)是常見的字符設(shè)備。

塊設(shè)備通常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量會(huì)非常大，于是控制器設(shè)立了一個(gè)可讀寫的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

CPU 寫入數(shù)據(jù)到控制器的緩沖區(qū)時(shí)，當(dāng)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)囤夠了一部分，才會(huì)發(fā)給設(shè)備。

CPU 從控制器的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，也需要緩沖區(qū)囤夠了一部分，才拷貝到內(nèi)存。

這樣做是為了，減少對(duì)設(shè)備的操作次數(shù)。

那 CPU 是如何與設(shè)備的控制寄存器和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行通信的？存在兩個(gè)方法：

端口 I/O，每個(gè)控制寄存器被分配一個(gè) I/O 端口，可以通過特殊的匯編指令操作這些寄存器，比如?in/out?類似的指令。

內(nèi)存映射 I/O，將所有控制寄存器映射到內(nèi)存空間中，這樣就可以像讀寫內(nèi)存一樣讀寫數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

I/O 控制方式

在前面我知道，每種設(shè)備都有一個(gè)設(shè)備控制器，控制器相當(dāng)于一個(gè)小 CPU，它可以自己處理一些事情，但有個(gè)問題是，當(dāng) CPU 給設(shè)備發(fā)送了一個(gè)指令，讓設(shè)備控制器去讀設(shè)備的數(shù)據(jù)，它讀完的時(shí)候，要怎么通知 CPU 呢？

控制器的寄存器一般會(huì)有狀態(tài)標(biāo)記位，用來標(biāo)識(shí)輸入或輸出操作是否完成。于是，我們想到第一種輪詢等待的方法，讓 CPU 一直查寄存器的狀態(tài)，直到狀態(tài)標(biāo)記為完成，很明顯，這種方式非常的傻瓜，它會(huì)占用 CPU 的全部時(shí)間。

那我們就想到第二種方法 ——?中斷，通知操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了。我們一般會(huì)有一個(gè)硬件的中斷控制器，當(dāng)設(shè)備完成任務(wù)后觸發(fā)中斷到中斷控制器，中斷控制器就通知 CPU，一個(gè)中斷產(chǎn)生了，CPU 需要停下當(dāng)前手里的事情來處理中斷。

另外，中斷有兩種，一種軟中斷，例如代碼調(diào)用?INT?指令觸發(fā)，一種是硬件中斷，就是硬件通過中斷控制器觸發(fā)的。

但中斷的方式對(duì)于頻繁讀寫數(shù)據(jù)的磁盤，并不友好，這樣 CPU 容易經(jīng)常被打斷，會(huì)占用 CPU 大量的時(shí)間。對(duì)于這一類設(shè)備的問題的解決方法是使用?DMA（Direct Memory Access）?功能，它可以使得設(shè)備在 CPU 不參與的情況下，能夠自行完成把設(shè)備 I/O 數(shù)據(jù)放入到內(nèi)存。那要實(shí)現(xiàn) DMA 功能要有 「DMA 控制器」硬件的支持。

DMA 的工作方式如下：

CPU 需對(duì) DMA 控制器下發(fā)指令，告訴它想讀取多少數(shù)據(jù)，讀完的數(shù)據(jù)放在內(nèi)存的某個(gè)地方就可以了；

接下來，DMA 控制器會(huì)向磁盤控制器發(fā)出指令，通知它從磁盤讀數(shù)據(jù)到其內(nèi)部的緩沖區(qū)中，接著磁盤控制器將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存；

當(dāng)磁盤控制器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存的操作完成后，磁盤控制器在總線上發(fā)出一個(gè)確認(rèn)成功的信號(hào)到 DMA 控制器；

DMA 控制器收到信號(hào)后，DMA 控制器發(fā)中斷通知 CPU 指令完成，CPU 就可以直接用內(nèi)存里面現(xiàn)成的數(shù)據(jù)了；

可以看到， CPU 當(dāng)要讀取磁盤數(shù)據(jù)的時(shí)候，只需給 DMA 控制器發(fā)送指令，然后返回去做其他事情，當(dāng)磁盤數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存后，DMA 控制機(jī)器通過中斷的方式，告訴 CPU 數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，可以從內(nèi)存讀數(shù)據(jù)了。僅僅在傳送開始和結(jié)束時(shí)需要 CPU 干預(yù)。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

雖然設(shè)備控制器屏蔽了設(shè)備的眾多細(xì)節(jié)，但每種設(shè)備的控制器的寄存器、緩沖區(qū)等使用模式都是不同的，所以為了屏蔽「設(shè)備控制器」的差異，引入了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

設(shè)備控制器不屬于操作系統(tǒng)范疇，它是屬于硬件，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆诓僮飨到y(tǒng)的一部分，操作系統(tǒng)的內(nèi)核代碼可以像本地調(diào)用代碼一樣使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是面向設(shè)備控制器的代碼，它發(fā)出操控設(shè)備控制器的指令后，才可以操作設(shè)備控制器。

不同的設(shè)備控制器雖然功能不同，但是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)提供統(tǒng)一的接口給操作系統(tǒng)，這樣不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，就可以以相同的方式接入操作系統(tǒng)。如下圖：

前面提到了不少關(guān)于中斷的事情，設(shè)備完成了事情，則會(huì)發(fā)送中斷來通知操作系統(tǒng)。那操作系統(tǒng)就需要有一個(gè)地方來處理這個(gè)中斷，這個(gè)地方也就是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里，它會(huì)及時(shí)響應(yīng)控制器發(fā)來的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)這個(gè)中斷的類型調(diào)用響應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。

通常，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化的時(shí)候，要先注冊(cè)一個(gè)該設(shè)備的中斷處理函數(shù)。

我們來看看，中斷處理程序的處理流程：

在 I/O 時(shí)，設(shè)備控制器如果已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，則會(huì)通過中斷控制器向 CPU 發(fā)送中斷請(qǐng)求；

保護(hù)被中斷進(jìn)程的 CPU 上下文；

轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理函數(shù)；

進(jìn)行中斷處理；

恢復(fù)被中斷進(jìn)程的上下文；

通用塊層

對(duì)于塊設(shè)備，為了減少不同塊設(shè)備的差異帶來的影響，Linux 通過一個(gè)統(tǒng)一的通用塊層，來管理不同的塊設(shè)備。

通用塊層是處于文件系統(tǒng)和磁盤驅(qū)動(dòng)中間的一個(gè)塊設(shè)備抽象層，它主要有兩個(gè)功能：

第一個(gè)功能，向上為文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序，提供訪問塊設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，向下把各種不同的磁盤設(shè)備抽象為統(tǒng)一的塊設(shè)備，并在內(nèi)核層面，提供一個(gè)框架來管理這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序；

第二功能，通用層還會(huì)給文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序發(fā)來的 I/O 請(qǐng)求排隊(duì)，接著會(huì)對(duì)隊(duì)列重新排序、請(qǐng)求合并等方式，也就是 I/O 調(diào)度，主要目的是為了提高磁盤讀寫的效率。

Linux 內(nèi)存支持 5 種 I/O 調(diào)度算法，分別是：

（1）沒有調(diào)度算法

（2）先入先出調(diào)度算法

（3）完全公平調(diào)度算法

（4）優(yōu)先級(jí)調(diào)度

（5）最終期限調(diào)度算法

第一種，沒有調(diào)度算法，是的，你沒聽錯(cuò)，它不對(duì)文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序的 I/O 做任何處理，這種算法常用在虛擬機(jī) I/O 中，此時(shí)磁盤 I/O 調(diào)度算法交由物理機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

第二種，先入先出調(diào)度算法，這是最簡(jiǎn)單的 I/O 調(diào)度算法，先進(jìn)入 I/O 調(diào)度隊(duì)列的 I/O 請(qǐng)求先發(fā)生。

第三種，完全公平調(diào)度算法，大部分系統(tǒng)都把這個(gè)算法作為默認(rèn)的 I/O 調(diào)度器，它為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)了一個(gè) I/O 調(diào)度隊(duì)列，并按照時(shí)間片來均勻分布每個(gè)進(jìn)程的 I/O 請(qǐng)求。

第四種，優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，顧名思義，優(yōu)先級(jí)高的 I/O 請(qǐng)求先發(fā)生， 它適用于運(yùn)行大量進(jìn)程的系統(tǒng)，像是桌面環(huán)境、多媒體應(yīng)用等。

第五種，最終期限調(diào)度算法，分別為讀、寫請(qǐng)求創(chuàng)建了不同的 I/O 隊(duì)列，這樣可以提高機(jī)械磁盤的吞吐量，并確保達(dá)到最終期限的請(qǐng)求被優(yōu)先處理，適用于在 I/O 壓力比較大的場(chǎng)景，比如數(shù)據(jù)庫等。

存儲(chǔ)系統(tǒng) I/O 軟件分層

前面說到了不少東西，設(shè)備、設(shè)備控制器、驅(qū)動(dòng)程序、通用塊層，現(xiàn)在再結(jié)合文件系統(tǒng)原理，我們來看看 Linux 存儲(chǔ)系統(tǒng)的 I/O 軟件分層。

可以把 Linux 存儲(chǔ)系統(tǒng)的 I/O 由上到下可以分為三個(gè)層次，分別是文件系統(tǒng)層、通用塊層、設(shè)備層。他們整個(gè)的層次關(guān)系如下圖：

這三個(gè)層次的作用是：

文件系統(tǒng)層，包括虛擬文件系統(tǒng)和其他文件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，它向上為應(yīng)用程序統(tǒng)一提供了標(biāo)準(zhǔn)的文件訪問接口，向下會(huì)通過通用塊層來存儲(chǔ)和管理磁盤數(shù)據(jù)。

通用塊層，包括塊設(shè)備的 I/O 隊(duì)列和 I/O 調(diào)度器，它會(huì)對(duì)文件系統(tǒng)的 I/O 請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)，再通過 I/O 調(diào)度器，選擇一個(gè) I/O 發(fā)給下一層的設(shè)備層。

設(shè)備層，包括硬件設(shè)備、設(shè)備控制器和驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)最終物理設(shè)備的 I/O 操作。

有了文件系統(tǒng)接口之后，不但可以通過文件系統(tǒng)的命令行操作設(shè)備，也可以通過應(yīng)用程序，調(diào)用?read、write?函數(shù)，就像讀寫文件一樣操作設(shè)備，所以說設(shè)備在 Linux 下，也只是一個(gè)特殊的文件。

但是，除了讀寫操作，還需要有檢查特定于設(shè)備的功能和屬性。于是，需要?ioctl?接口，它表示輸入輸出控制接口，是用于配置和修改特定設(shè)備屬性的通用接口。

另外，存儲(chǔ)系統(tǒng)的 I/O 是整個(gè)系統(tǒng)最慢的一個(gè)環(huán)節(jié)，所以 Linux 提供了不少緩存機(jī)制來提高 I/O 的效率。

為了提高文件訪問的效率，會(huì)使用頁緩存、索引節(jié)點(diǎn)緩存、目錄項(xiàng)緩存等多種緩存機(jī)制，目的是為了減少對(duì)塊設(shè)備的直接調(diào)用。

為了提高塊設(shè)備的訪問效率， 會(huì)使用緩沖區(qū)，來緩存塊設(shè)備的數(shù)據(jù)。

鍵盤敲入字母時(shí)，期間發(fā)生了什么？

看完前面的內(nèi)容，相信你對(duì)輸入輸出設(shè)備的管理有了一定的認(rèn)識(shí)，那接下來就從操作系統(tǒng)的角度回答開頭的問題「鍵盤敲入字母時(shí)，操作系統(tǒng)期間發(fā)生了什么？」

我們先來看看 CPU 的硬件架構(gòu)圖：

CPU 里面的內(nèi)存接口，直接和系統(tǒng)總線通信，然后系統(tǒng)總線再接入一個(gè) I/O 橋接器，這個(gè) I/O 橋接器，另一邊接入了內(nèi)存總線，使得 CPU 和內(nèi)存通信。再另一邊，又接入了一個(gè) I/O 總線，用來連接 I/O 設(shè)備，比如鍵盤、顯示器等。

那當(dāng)用戶輸入了鍵盤字符，鍵盤控制器就會(huì)產(chǎn)生掃描碼數(shù)據(jù)，并將其緩沖在鍵盤控制器的寄存器中，緊接著鍵盤控制器通過總線給 CPU 發(fā)送中斷請(qǐng)求。

CPU 收到中斷請(qǐng)求后，操作系統(tǒng)會(huì)保存被中斷進(jìn)程的 CPU 上下文，然后調(diào)用鍵盤的中斷處理程序。

鍵盤的中斷處理程序是在鍵盤驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)注冊(cè)的，那鍵盤中斷處理函數(shù)的功能就是從鍵盤控制器的寄存器的緩沖區(qū)讀取掃描碼，再根據(jù)掃描碼找到用戶在鍵盤輸入的字符，如果輸入的字符是顯示字符，那就會(huì)把掃描碼翻譯成對(duì)應(yīng)顯示字符的 ?ASCII 碼，比如用戶在鍵盤輸入的是字母 A，是顯示字符，于是就會(huì)把掃描碼翻譯成 A 字符的 ASCII 碼。

得到了顯示字符的 ASCII 碼后，就會(huì)把 ASCII 碼放到「讀緩沖區(qū)隊(duì)列」，接下來就是要把顯示字符顯示屏幕了，顯示設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)定時(shí)從「讀緩沖區(qū)隊(duì)列」讀取數(shù)據(jù)放到「寫緩沖區(qū)隊(duì)列」，最后把「寫緩沖區(qū)隊(duì)列」的數(shù)據(jù)一個(gè)一個(gè)寫入到顯示設(shè)備的控制器的寄存器中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，最后將這些數(shù)據(jù)顯示在屏幕里。

顯示出結(jié)果后，恢復(fù)被中斷進(jìn)程的上下文。

以上就是本篇文章的全部內(nèi)容，希望對(duì)大家有幫助哦~

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