HIT oslab之设备管理 (显示器 + 键盘)

傷城~ 2022-11-15 11:43 127阅读 0赞

# 一、整体逻辑 #

根据unix/linux哲学：一切皆文件，所以设备也有设备文件。操作系统要让用户像操作文件一样去使用终端设备，即实现了设备管理。

> 以下内容的操作系统指linux-0.11

# 二、操作系统管理显示器的过程 #

所谓操作系统管理显示器，即让用户通过`printf("Hello world!\n");`即可在屏幕上打印出`Hello world!`。

## 1.printf函数中最核心的2件事情 ##

(1)创建缓存buf, 存储格式化输出

> 此处指存储`Hello world!\n`

(2)`write(1, buf, ...)`  
1)write根据文件描述符(这里是1)，把内容输出到对应的设备上。  
2)1对应的就是dev/tty0, tty0指的就是终端设备文件。

> 解释：  
> ①1号进程执行init函数，安装根文件系统，接着打开了`/dev/tty0`，并拷贝了2份，所以文件描述符0~3对应的都是是dev/tty0。  
> ![在这里插入图片描述][20210331203720134.png]  
> ②tty0是终端设备文件，且是字符设备文件(由crw-rw-rw-的c可知)  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 2.write函数 ##

引发系统调用中断，经处理系统调用中断后，跳转到其对应的系统调用函数sys\_write执行

## 3.sys\_write函数 ##

(1)找到文件描述符对应的文件结构  
![在这里插入图片描述][20210331204449317.png]  
(2)取该文件的信息（信息说明了该设备的属性，比如可能是字符设备文件）  
![在这里插入图片描述][20210331204505284.png]  
(3)根据不同的属性，调用相应的写操作函数。  
![在这里插入图片描述][20210331204532458.png]

> 显示器是字符设备。

## 4.rw\_char函数 ##

inode->i\_zone\[\]，即设备号指示哪个字符设备。并且是WRITE字符。

> 本例是i\_zone\[0\]，根据上文指出了tty0是字符设备，且由图可知设备号是4。

## 5.根据dev = 4, 找到其处理函数 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

> 这里和系统调用的逻辑很像，根据系统调用号，找到对应的系统调用函数。而且也是一个函数指针构成的数组。

crw\_table\[4\],即rw\_ttyx  
![在这里插入图片描述][20210331204956168.png]

## 6.rw\_ttyx函数 ##

![在这里插入图片描述][20210331205016328.png]

> 由于rw == WRITE，所以执行tty\_write函数

## 7.tty\_write函数，实现输出的核心函数 ##

(1)每个tty设备有3个缓冲队列，分别是读缓冲队列(read\_q)、写缓冲队列(write\_q)和辅助缓冲队列(secondary)。

> 此处先介绍write\_q;

(2)write\_q : 利用缓冲技术解决CPU和外设速度不匹配问题  
1)如果缓冲区满了，那么就要sleep了  
![在这里插入图片描述][20210331205151227.png]  
2)如果缓冲区未满，那么就做以下2步：  
①c = get\_fs\_byte(b); 从用户缓冲区读1个字符。

> 涉及到内核段获取用户段数据的知识

②PUTCH(c, tty->write\_q); 把字符放入写缓冲区中；

3)之后，才是真的开始输出屏幕了，`tty->write(tty);`

## 8.tty->write的write是tty这个结构体的成员函数，要揭开其真面目，得看tty这个结构体的初始化 ##

![在这里插入图片描述][20210331205319294.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

> tty\_struct在kernel/chr\_drv/tty\_io.c中初始化，可以看到，write的真面目就是`con_write`

## 9.con\_write函数（从写缓冲区读数据，也就是“消费者”） ##

> kernel/chr\_drv/console.c中

(1)GETCH(tty->write\_q, c)； 从写缓冲区读1个字符。

(2)向显示器输出  
![在这里插入图片描述][20210331205436812.png]  
①ah存属性值，al存字符c  
②`mov ax, pos` pos即[显卡][Link 1]的寄存器

> 统一寻址，用mov；独立寻址，用out。

> 到此为止，屏幕上就出现了Hello World!的H

## 10.总结 ##

要想实现让用户仅仅通过printf语句就能够向屏幕输出字符串，则操作系统要完成如下的封装：  
①向某个文件描述符write要输出的字符串；

②产生系统调用中断，sys\_write根据文件描述符就知道是什么类型的设备，而显示器是字符设备，所以转去rw\_char函数；

③字符设备也有很多种，由设备号来标识。所以rw\_char函数根据设备号，找到其对应的处理函数rw\_ttyx函数。

④rw\_ttyx函数根据操作类型(读 or 写)执行不同的函数，如果是写，则执行tty\_write函数。

⑤tty\_write函数调用con\_write函数向显示器的显卡寄存器写入字符。

# 三、操作系统管理键盘的过程 #

所谓操作系统管理键盘，即用户按下键盘的某个键，比如a，则在屏幕上显示a。

1.当用户按下键盘的某个键时，引起键盘中断。![在这里插入图片描述][20210331210559490.png]  
2.处理键盘中断的程序：keyboard\_interrupt，以下为该程序实现的主要功能  
(1)从端口0x60，读[扫描码][Link 2]； `inb $0x60,%al`

> inb : 读入1个字节

(2)根据扫描码，调用对应扫描码处理子程序； `call key_table(,%eax,4)`  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

> 大部分的按键都是执行do\_self子程序

(3)do\_self子程序的核心功能:  
根据扫描码取对应的ASCII码 ，call put\_queue，即放入读字符队列(read\_q)。

(4)call do\_tty\_interrupt（该函数调用了copy\_to\_cooked）  
copy\_to\_cooked主要作用：把read\_q读缓存队列中的字符处理后放入规范模式队列(辅助队列secondary)中

> 到此为止，键盘输入已经完成。接下来，就是回显，即在屏幕上显示a

3.若设置了回显标志，那么copy\_to\_cooked还需要将字符放入写队列write\_q  
![在这里插入图片描述][20210331210943932.png]

> 而结合上文，在con\_write函数中，便会从写队列write\_q取出字符，并向显示器输出。

> 到此为止，用户按下键盘的某个键，比如a，则在屏幕上显示a。

[20210331203720134.png]: /images/20221022/3dcd2ca80d0041c89d1fd8f26488ea94.png
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