序
我知道CPU和内存是计算机的核心， 毕竟所有的运算最后都得通过他们俩来完成， CPU从内存里要取一条指令， 做计算，然后再写回内存， 如此周而复始。
但是这俩货却瞧不起我，说这是什么年代了，还在用机械式操作， 读写数据的时候， 还得一个磁头在多个盘片上滑来滑去，找来找去， 速度慢的要死。
内存说：“CPU比我快100倍， 比你快100万倍，整个系统的速度都被你给拖慢了。”
这是典型的五十步笑百步。
他俩还嘲笑我很娇气，得真空、密闭、不能有浮尘、运行时不能震动， 一动就坏了。
但这俩二货总是会忘记他俩的最大问题，所以我只用一句就把他们俩给噎死： 你们俩断电了怎么办？
还有我的容量都是按TB, 甚至PB 来算的， 就你们俩那点容量，还笑我?
还有，没有我来存储程序，你们从哪儿得到程序， 难道要像牵牛星（如下图）一样， 手工拨动一排开关来输入程序吗？
其实我也很纳闷， 为什么你们人类造不出来一个能够断电存储的， 大容量的， 访问速度快的，当然还要便宜的硬盘来 ，你们不都上天了吗？要登陆火星了吗？ 这些基础的材料怎么还无法突破？
我憧憬着这么一天的来临， 如果能制造出来了， CPU就可以直接访问硬盘了， 内存就一边凉快去吧。
在制造出来之前， 你们必须得容忍CPU-内存-硬盘之间的速度不匹配， 并且想出办法来解决这种速度的不匹配， 比如用缓存、 直接内存访问、 多进程/线程切换等等方法。
内部结构
其实我的内部是长这个样子的：
看到没有，我有很多个盘片像串糖葫芦一样被串在一个主轴上， 主轴带着他们疯狂的旋转。
每个盘片都有很多一圈一圈的磁道， 每个磁道又分为一个一个的扇区。
多个盘片上的同一位置的磁道组成了一个柱面 (需要发挥一下你的想象力)
最后每个盘片上都有可以读写数据的磁头。
所以，如果你想访问我的数据，可以说： 把0柱面， 0磁头， 1扇区的数据给我拿来。
我就把磁头挪到您指定的柱面，对每个磁盘来讲其实就是指定的磁道， 所以这叫“寻道时间”
然后再旋转磁盘，让磁头指向您指定的扇区，这才能开始读取数据， 这叫“旋转时间”，转速快的硬盘能更快的旋转到特定扇区， 所以性能会更好些。
文件
当然，对于绝大部分人来说，都不想去了解什么柱面，磁头，扇区这些非人的术语，所以我为懒人们专门提供了一个叫做逻辑块的方式，你看到磁盘就是有一个个“块”组成的，编号为1, 2, 3, ..n 。
想取哪一块就取哪一块， 比如你说：把第1024号的“块" 的数据给我取过来， 我在内部就把1024转化成柱面，磁头，扇区， 按照上面说的方法寻道，旋转，读取数据。
但是这还远远不够，比方说你想写个文档，输入了很多字和图片，最后想存到我这个硬盘上，你该怎么操作？
一种方法是这样的：
你： 硬盘，给我找20个空闲的磁盘块， 我想存我的文档
我：空闲的磁盘块编号是1024， 2048， 2049 ，3000 ,......
你： 把这些文字和图片存到这些磁盘块上
我： 好的，存完了， 你得记住这些块啊， 这样下次才能读取。
你： 拿一支笔把这些磁盘块编号都记到本子上
过了几天......
你： 硬盘， 把1024,2048,2049,3000这些数据给我取出来，我要编辑。
我： 好的，这是你的数据
没有人喜欢这种方式， 太折磨人了！每个人喜欢这么做：
打开word -> 新建一个文件-> 输入文字和图片-> 保存到C盘“我的文档”目录下。
这个所谓的“文件”和“目录”就是我的杰作啊，你再也不需要和烦人的磁盘块打交道， 只需要记住你的文件名和路径， 一切工作交由我和操作系统老大来搞定。
我和老大商量好了，文件对人类来说是最小存储单位， 你想存任何东西，无论多么小，非得建个文件不可。
此外为了让这个世界整洁有序， 多个文件可以放到一个目录（其实也是个特殊的文件）里， 目录之上还可以有目录，形成一个树的结构。
文件这个东西是个伟大的发明， 我估计你们还得再用100年。
文件的存放
我日常的主要工作就是对目录和文件做操作，当然需要操作系统老大的配合，好吧，其实是老大在主导。
这其中最重要的一个问题怎么去记录各个文件都用到哪些磁盘块？
内存给我支了一招：你可以采用连续记录的方式啊， 就像这样。
文件1 占据磁盘块 1-3
文件2 占据磁盘块 8-12
文件3 占据磁盘块 15-20
内存说： 这种方法在随机访问文件是效率极好，因为你只要知道了开头和长度，就像数组一样可以随便访问， 就像CPU访问我一样， 只要给出地址，立刻就能定位到指定的位置。
我仔细想了想， 内存出的是一个损招， 比如说内存磁盘块 4 -7 ，以及13-14怎么没用？
那是因为之前那里也有文件，后来被删除了，留下了空洞， 如果之后没有大小合适的文件过来，他们就永远空在那里了。
对我来说这是严重的浪费， 这是我不能容忍的。
我说：“小样你以为我看不出来啊，你不就是嫉妒我容量大，让我浪费一点嘛”
内存坏笑了一下又说： 不喜欢也没关系嘛，试试采用链式啊：
这个文件从第一块磁盘开始，形成一个链 1->9->18->8->3 , 每一块空闲的磁盘都会得到充分的利用， 效率非常高。
我心想： 这些码农说的数据结构和算法还真是有用啊， 这里也用上链表了。
可是这种方式随机的访问效果太差， 每次都得从第一块开始，沿着绳子往后找，太痛苦了。
现在内存已经嘲笑我慢了，用这种很慢的办法，还不得笑死我？
操作系统老大说：“别听内存在那里BB了， 用索引式！”
例如第16号磁盘块专门用来存放文件属性以及该文件所使用的磁盘块。
老大把这个磁盘块叫做inode,通过它可以轻松的找到这个文件所使用的所有磁盘块， 无论是顺序访问还是随机访问都很快。
唯一的缺点是得用额外的磁盘块单独存放inode 。
我觉得挺好，没有十全十美的东西，折中达到平衡最重要 ！ 就是它了！
我问老大：每个文件都需要有个inode来描述,每个目录是不是也需要一个？
”这是自然，和文件一样，每个目录也是一个inode, 其中有目录的属性，还有存放这个目录内容的磁盘块号，在磁盘块中才真正的存放着目录下的内容“
“举个例子来说吧： 有人要读取 /tmp/test.log这个文件， 查找次序是这样的：根目录inode-根目录磁盘块-tmp目录inode-tmp目录磁盘块-test.log的 inode-读取磁盘块”
（点击看大图）
内存说： “我赛，这也太绕了吧，比CPU访问我的数据麻烦多了， 硬盘，你要小心点， 这要是操作不当的很容易出乱子的。”
我心想内存这次没坑我，他提醒的对， 这操作确实有点复杂，读数据的时候还行， 如果是修改，尤其是删除就很容易出事，例如想删除上面的文件/tmp/test.log，需要这些步骤：
(1) 在目录中删除文件
(2) 释放inode 到空闲的节点池， 这样可以复用
(3) 将磁盘块释放到空闲的磁盘块池
在操作某一步的时候出现系统崩溃，那我这些个目录和文件就凌乱了， 可能会出现空间无法释放的情况。
老大说： “这确实比较烦， 不过也能解决，听说过数据库是怎么办的吗： 记录日志！ ”
”就是把要做的事记录下来？“
“是的， 在做操作之前， 记录要做的事情，形成日志， 把他们成功写入磁盘以后再正式动手操作， 等到所有步骤都搞完，才可以擦除日志项。 你想想，如果执行到某一步崩溃， 系统重启时检查日志项，就知道哪些没做，哪些已经做了， 对于没做的日志，重新来一遍就是了” 。
其实说的很轻松，实施起来还是挺难的， 重新执行就意味着那些操作一定是可以重复执行， 并且不会带来破坏才行。
（码农翻身注：这叫做日志(Journal)文件系统）
管理空闲块
目录和文件的存储问题解决了， 接下来我需要一个大管家，把那些没有使用的、空白的、数量上亿的磁盘块给管理起来，只有这样， 新的文件来的时候，才能分配空间存储。
操作系统老大给我推荐了两位， 第一位主张是链式大法好， 无非就是把空闲磁盘块组成一个链表（又是链表！） ，但是我心里盘算了一下： 如果磁盘块号是32位的，每个块都得花费我32位的空间，如果我有5亿个空闲块， 那仅仅为了记录他们就要占用接近2G的磁盘空间！ 这浪费可是有点大啊。
还有一位主张位图法， 这个方法更简单， 对每个磁盘块，如果已经被使用，那就标记为1， 没被使用就是0。 这样整个磁盘块就形成了一个由0和1组成的一个大位图。
由于每个磁盘块只用一个位来表示， 非常节省空间， 这个方案我喜欢！
文件系统
扯了这么多，是时候看一看全局了， 在你们程序员的眼中， 其实我是长这个样子的（拿你们崇拜的Linux ext2为例）：
（点击看大图）
我这个硬盘主要由MBR(Master Boot Record)和各个磁盘分区组成。
MBR中的有 引导代码 和 磁盘分区表， 分区表中记录了每个分区的起始位置，以及哪个磁盘分区是活动分区， 这样系统就会找到它， 然后装载这个分区中的引导块，并执行之。
引导块将会装载存存储在本分区的操作系统。 需要注意的是，每个分区都有一个引导块，不管这个分区有没有操作系统，这是各大厂商的约定，是一种标准。
每个分区除了必须的引导块之外，又被分成多个块组。
在每个块组中你能看到熟悉的磁盘块位图和inode位图， 不用解释估计你也知道是干嘛的。
还有inode表（当然是存放文件和目录的inode 了）和真正的数据块。
对了， 我的磁盘分区表只有64个字节， 而每个分区项占用16个字节， 所以只能容纳4个分区。
如果你想用多于4个分区， 你就需要把其中一个设为扩展分区， 然后在其中继续划分成逻辑分区，想划几个就划分几个。
一般情况下，大家都喜欢把我划分成一个主分区+一个扩展分区， 在扩展分区中再需要划分。
（完）
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。
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