鍵盤敲入 A 字母時，操作系統(tǒng)期間發(fā)生了什么...
前言
鍵盤可以說是我們最常使用的輸入硬件設備了，但身為程序員的你，你知道「鍵盤敲入 A 字母時，操作系統(tǒng)期間發(fā)生了什么嗎」？
那要想知道這個發(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備」的，等了解完這個后，我們再來看看這個問題，你就會發(fā)現問題已經被迎刃而解了。
正文
設備控制器
我們的電腦設備可以接非常多的輸入輸出設備，比如鍵盤、鼠標、顯示器、網卡、硬盤、打印機、音響等等，每個設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備統(tǒng)一管理的呢?
為了屏蔽設備之間的差異，每個設備都有一個叫設備控制器（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。
因為這些控制器都很清楚的知道對應設備的用法和功能，所以 CPU 是通過設備控制器來和設備打交道的。
設備控制器里有芯片，它可執(zhí)行自己的邏輯，也有自己的寄存器，用來與 CPU 進行通信，比如：
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通過寫入這些寄存器，操作系統(tǒng)可以命令設備發(fā)送數據、接收數據、開啟或關閉，或者執(zhí)行某些其他操作。
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通過讀取這些寄存器，操作系統(tǒng)可以了解設備的狀態(tài)，是否準備好接收一個新的命令等。
實際上，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）以及數據寄存器（Data Register），如下圖：
這三個寄存器的作用：
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數據寄存器，CPU 向 I/O 設備寫入需要傳輸的數據，比如要打印的內容是「Hello」，CPU 就要先發(fā)送一個 H 字符給到對應的 I/O 設備。
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命令寄存器，CPU 發(fā)送一個命令，告訴 I/O 設備，要進行輸入/輸出操作，于是就會交給 I/O 設備去工作，任務完成后，會把狀態(tài)寄存器里面的狀態(tài)標記為完成。
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狀態(tài)寄存器，目的是告訴 CPU ，現在已經在工作或工作已經完成，如果已經在工作狀態(tài)，CPU 再發(fā)送數據或者命令過來，都是沒有用的，直到前面的工作已經完成，狀態(tài)寄存標記成已完成，CPU 才能發(fā)送下一個字符和命令。
CPU 通過讀、寫設備控制器中的寄存器來控制設備，這可比 CPU 直接控制輸入輸出設備，要方便和標準很多。
另外， 輸入輸出設備可分為兩大類 ：塊設備（Block Device）和字符設備（Character Device）。
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塊設備，把數據存儲在固定大小的塊中，每個塊有自己的地址，硬盤、USB 是常見的塊設備。
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字符設備，以字符為單位發(fā)送或接收一個字符流，字符設備是不可尋址的，也沒有任何尋道操作，鼠標是常見的字符設備。
塊設備通常傳輸的數據量會非常大，于是控制器設立了一個可讀寫的數據緩沖區(qū)。
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CPU 寫入數據到控制器的緩沖區(qū)時，當緩沖區(qū)的數據囤夠了一部分，才會發(fā)給設備。
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CPU 從控制器的緩沖區(qū)讀取數據時，也需要緩沖區(qū)囤夠了一部分，才拷貝到內存。
這樣做是為了，減少對設備的操作次數。
那 CPU 是如何與設備的控制寄存器和數據緩沖區(qū)進行通信的？存在兩個方法：
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端口 I/O，每個控制寄存器被分配一個 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。 -
內存映射 I/O，將所有控制寄存器映射到內存空間中，這樣就可以像讀寫內存一樣讀寫數據緩沖區(qū)。
I/O 控制方式
在前面我知道，每種設備都有一個設備控制器，控制器相當于一個小 CPU，它可以自己處理一些事情，但有個問題是，當 CPU 給設備發(fā)送了一個指令，讓設備控制器去讀設備的數據，它讀完的時候，要怎么通知 CPU 呢？
控制器的寄存器一般會有狀態(tài)標記位，用來標識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)標記為完成，很明顯，這種方式非常的傻瓜，它會占用 CPU 的全部時間。
那我們就想到第二種方法 —— 中斷，通知操作系統(tǒng)數據已經準備好了。我們一般會有一個硬件的中斷控制器，當設備完成任務后觸發(fā)中斷到中斷控制器，中斷控制器就通知 CPU，一個中斷產生了，CPU 需要停下當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。
但中斷的方式對于頻繁讀寫數據的磁盤，并不友好，這樣 CPU 容易經常被打斷，會占用 CPU 大量的時間。對于這一類設備的問題的解決方法是使用 DMA（Direct Memory Access） 功能，它可以使得設備在 CPU 不參與的情況下，能夠自行完成把設備 I/O 數據放入到內存。那要實現 DMA 功能要有 「DMA 控制器」硬件的支持。
DMA 的工作方式如下：
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CPU 需對 DMA 控制器下發(fā)指令，告訴它想讀取多少數據，讀完的數據放在內存的某個地方就可以了；
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接下來，DMA 控制器會向磁盤控制器發(fā)出指令，通知它從磁盤讀數據到其內部的緩沖區(qū)中，接著磁盤控制器將緩沖區(qū)的數據傳輸到內存；
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當磁盤控制器把數據傳輸到內存的操作完成后，磁盤控制器在總線上發(fā)出一個確認成功的信號到 DMA 控制器；
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DMA 控制器收到信號后，DMA 控制器發(fā)中斷通知 CPU 指令完成，CPU 就可以直接用內存里面現成的數據了；
可以看到， CPU 當要讀取磁盤數據的時候，只需給 DMA 控制器發(fā)送指令，然后返回去做其他事情，當磁盤數據拷貝到內存后，DMA 控制機器通過中斷的方式，告訴 CPU 數據已經準備好了，可以從內存讀數據了。僅僅在傳送開始和結束時需要 CPU 干預。
設備驅動程序
雖然設備控制器屏蔽了設備的眾多細節(jié)，但每種設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「設備控制器」的差異，引入了設備驅動程序。
設備控制器不屬于操作系統(tǒng)范疇，它是屬于硬件，而設備驅動程序屬于操作系統(tǒng)的一部分，操作系統(tǒng)的內核代碼可以像本地調用代碼一樣使用設備驅動程序的接口，而設備驅動程序是面向設備控制器的代碼，它發(fā)出操控設備控制器的指令后，才可以操作設備控制器。
不同的設備控制器雖然功能不同，但是設備驅動程序會提供統(tǒng)一的接口給操作系統(tǒng)，這樣不同的設備驅動程序，就可以以相同的方式接入操作系統(tǒng)。如下圖：
前面提到了不少關于中斷的事情，設備完成了事情，則會發(fā)送中斷來通知操作系統(tǒng)。那操作系統(tǒng)就需要有一個地方來處理這個中斷，這個地方也就是在設備驅動程序里，它會及時響應控制器發(fā)來的中斷請求，并根據這個中斷的類型調用響應的中斷處理程序進行處理。
通常，設備驅動程序初始化的時候，要先注冊一個該設備的中斷處理函數。
我們來看看，中斷處理程序的處理流程：
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在 I/O 時，設備控制器如果已經準備好數據，則會通過中斷控制器向 CPU 發(fā)送中斷請求；
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保護被中斷進程的 CPU 上下文；
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轉入相應的設備中斷處理函數；
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進行中斷處理；
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恢復被中斷進程的上下文；
通用塊層
對于塊設備，為了減少不同塊設備的差異帶來的影響，Linux 通過一個統(tǒng)一的通用塊層，來管理不同的塊設備。
通用塊層是處于文件系統(tǒng)和磁盤驅動中間的一個塊設備抽象層，它主要有兩個功能：
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第一個功能，向上為文件系統(tǒng)和應用程序，提供訪問塊設備的標準接口，向下把各種不同的磁盤設備抽象為統(tǒng)一的塊設備，并在內核層面，提供一個框架來管理這些設備的驅動程序；
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第二功能，通用層還會給文件系統(tǒng)和應用程序發(fā)來的 I/O 請求排隊，接著會對隊列重新排序、請求合并等方式，也就是 I/O 調度，主要目的是為了提高磁盤讀寫的效率。
Linux 內存支持 5 種 I/O 調度算法，分別是：
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沒有調度算法
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先入先出調度算法
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完全公平調度算法
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優(yōu)先級調度
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最終期限調度算法
第一種，沒有調度算法，是的，你沒聽錯，它不對文件系統(tǒng)和應用程序的 I/O 做任何處理，這種算法常用在虛擬機 I/O 中，此時磁盤 I/O 調度算法交由物理機系統(tǒng)負責。
第二種，先入先出調度算法，這是最簡單的 I/O 調度算法，先進入 I/O 調度隊列的 I/O 請求先發(fā)生。
第三種，完全公平調度算法，大部分系統(tǒng)都把這個算法作為默認的 I/O 調度器，它為每個進程維護了一個 I/O 調度隊列，并按照時間片來均勻分布每個進程的 I/O 請求。
第四種，優(yōu)先級調度算法，顧名思義，優(yōu)先級高的 I/O 請求先發(fā)生， 它適用于運行大量進程的系統(tǒng)，像是桌面環(huán)境、多媒體應用等。
第五種，最終期限調度算法，分別為讀、寫請求創(chuàng)建了不同的 I/O 隊列，這樣可以提高機械磁盤的吞吐量，并確保達到最終期限的請求被優(yōu)先處理，適用于在 I/O 壓力比較大的場景，比如數據庫等。
存儲系統(tǒng) I/O 軟件分層
前面說到了不少東西，設備、設備控制器、驅動程序、通用塊層，現在再結合文件系統(tǒng)原理，我們來看看 Linux 存儲系統(tǒng)的 I/O 軟件分層。
可以把 Linux 存儲系統(tǒng)的 I/O 由上到下可以分為三個層次，分別是文件系統(tǒng)層、通用塊層、設備層。他們整個的層次關系如下圖：
這三個層次的作用是：
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文件系統(tǒng)層，包括虛擬文件系統(tǒng)和其他文件系統(tǒng)的具體實現，它向上為應用程序統(tǒng)一提供了標準的文件訪問接口，向下會通過通用塊層來存儲和管理磁盤數據。
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通用塊層，包括塊設備的 I/O 隊列和 I/O 調度器，它會對文件系統(tǒng)的 I/O 請求進行排隊，再通過 I/O 調度器，選擇一個 I/O 發(fā)給下一層的設備層。
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設備層，包括硬件設備、設備控制器和驅動程序，負責最終物理設備的 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)的命令行操作設備，也可以通過應用程序，調用 read、write函數，就像讀寫文件一樣操作設備，所以說設備在 Linux 下，也只是一個特殊的文件。
但是，除了讀寫操作，還需要有檢查特定于設備的功能和屬性。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備屬性的通用接口。
另外，存儲系統(tǒng)的 I/O 是整個系統(tǒng)最慢的一個環(huán)節(jié)，所以 Linux 提供了不少緩存機制來提高 I/O 的效率。
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為了提高文件訪問的效率，會使用頁緩存、索引節(jié)點緩存、目錄項緩存等多種緩存機制，目的是為了減少對塊設備的直接調用。
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為了提高塊設備的訪問效率， 會使用緩沖區(qū)，來緩存塊設備的數據。
鍵盤敲入字母時，期間發(fā)生了什么？
看完前面的內容，相信你對輸入輸出設備的管理有了一定的認識，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，操作系統(tǒng)期間發(fā)生了什么？」
CPU 里面的內存接口，直接和系統(tǒng)總線通信，然后系統(tǒng)總線再接入一個 I/O 橋接器，這個 I/O 橋接器，另一邊接入了內存總線，使得 CPU 和內存通信。再另一邊，又接入了一個 I/O 總線，用來連接 I/O 設備，比如鍵盤、顯示器等。
那當用戶輸入了鍵盤字符，鍵盤控制器就會產生掃描碼數據，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)送中斷請求。
CPU 收到中斷請求后，操作系統(tǒng)會保存被中斷進程的 CPU 上下文，然后調用鍵盤的中斷處理程序。
鍵盤的中斷處理程序是在鍵盤驅動程序初始化時注冊的，那鍵盤中斷處理函數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，那就會把掃描碼翻譯成對應顯示字符的 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，就會把 ASCII 碼放到「讀緩沖區(qū)隊列」，接下來就是要把顯示字符顯示屏幕了，顯示設備的驅動程序會定時從「讀緩沖區(qū)隊列」讀取數據放到「寫緩沖區(qū)隊列」，最后把「寫緩沖區(qū)隊列」的數據一個一個寫入到顯示設備的控制器的寄存器中的數據緩沖區(qū)，最后將這些數據顯示在屏幕里。
顯示出結果后，恢復被中斷進程的上下文。
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