【操作系统】Oranges学习笔记(六) 第七章 输入/输出系统

完美主义者常常因试图努力把一件事做好而放弃对新领域的尝试，从而使做事的机会成本增加。有时候回头一看才发现，自己在某件事情上已花费了太多时间。而实际上，暂时的妥协可能并不会影响到最终完美结果的呈现。因为不但知识需要沉淀，事情之间也总是有关联的。
我们刚刚实现了简单的进程，你现在可能很想把它做得更加完善，比如进一步改进调度算法、增加通信机制等。但是这些工作不但做起来没有尽头，而且有些也是难以实现的，因为进程必须与I/O、内存管理等其他模块一起工作。
而且，简单的进程更有利于我们思考和控制。

现在，我们就来实现简单的I/O系统。

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7.1 键盘

到目前为止，我们的OS一旦启动就不再受控制了，只能等待结果的出现，我们需要交互。而交互的手段，首先当然是键盘。

7.1.1 从中断开始──键盘初体验

说起键盘，你可能想起8259A的IRQ1对应的就是键盘，在第5章中做过一个小小的试验（见代码5.57和图5.16）。那时我们没有为键盘中断指定专门的处理程序，所以当按下键盘时只能打印一行“spurious_irq:0x1”。

现在我们来写一个专门的处理程序。新建一个文件 keyboard.c，添加一个非常简单的键盘中断处理程序（代码7.1）。

结果是每按一次键，打印一个星号，像在输入密码。为了不受其他进程输出的影响，我们把其他进程的输出都注释掉。然后添加指定中断处理程序的代码并打开键盘中断（代码7.2）。

不要忘了在 proto.h 中声明 init_keyboard( ) 并调用之（代码7.3）。

修改Makefile之后，就可以 make 并运行了，如图所示，敲击一下键盘就可以看到出现星号：

但是出现一个星号之后键盘就不再响应了。事情比我们想像的要复杂一些，我们还是要从头说起。

7.1.2 AT、PS/2键盘

键盘 PS/2 键盘和 USB 键盘是当今最流行的两种键盘。现在，看看你的键盘连接计算机的接口，如果看上去很像图7.2左图的样子，那么你用的应该是个 PS/2 键盘；如果是一个有棱有角的扁口，那么它很可能是个 USB 键盘（如果你居然不熟悉USB口的话）。

再有一种可能，你还在使用一种稍微老一点的 AT 键盘，它看上去就像图7.2右图的形状。有人把AT键盘称为大口键盘，而把 PS/2 称为小口键盘。因为 AT 键盘的接口稍微大一些而 PS/2 的稍微小一些。它们的接口分别叫做 5-pin DIN 和 6-pin Mini-DIN 。

在更早时候，IBM还推出过 XT 键盘，它也使用 5-pin DIN ，不过现在早就不再使用了。如今的主流键盘主要是 AT、PS/2、USB 三种。在本书中，我们不讨论 USB 键盘，只介绍 AT 和 PS/2 两种。实际上，PS/2 键盘只是在 AT 键盘的基础上做了一点点的扩展而已，在大多数情况下，尤其是在最初接触它们时，你可以认为它们是一样的。

从设备管理器中可以发现，我的电脑使用的是 PS/2 键盘，对应的端口是 60, 64 ，使用的是8255A的IRQ1：

7.1.3 键盘敲击的过程

在键盘中存在一枚叫做键盘编码器 Keyboard Encoder 的芯片，它通常是 Intel 8048 以及兼容芯片，作用是监视键盘的输入，并把适当的数据传送给计算机。另外，在计算机主板上还有一个键盘控制器 Keyboard Controller ，用来接收和解码来自键盘的数据，并与8259A以及软件等进行通信（如图7.3所示）。

敲击键盘有两个方面的含义：动作和内容。动作可以分解成三类：按下、保持按住的状态以及放开；内容则是键盘上不同的键，字母键还是数字键，回车键还是箭头键。所以，根据敲击动作产生的编码，8048既要反映哪个按键产生了动作，还要反映产生了什么动作。

敲击键盘所产生的编码被称作扫描码 Scan Code ，它分为 Make Code 和 Break Code 两类。当一个键被按下或者保持住按下时，将会产生Make Code；当键弹起时，产生Break Code。除了Pause键之外，每一个按键都对应一个 Make Code 和一个 Break Code 。

扫描码总共有三套，叫做 Scan code set 1、Scan code set 2、Scan code set 3 。Scan code set 1 是早期的 XT 键盘使用的，现在的键盘默认都支持Scan code set 2，而 Scan code set 3 很少使用。

整个键盘输入的过程如下所示：

• 当8048检测到一个键的动作后，会把相应的扫描码发送给8042；
• 8042会把它转换成相应的 Scancode set 1 扫描码，并将其放置在输入缓冲区中；
• 然后8042告诉8259A产生中断 IRQ1；
• 如果此时键盘又有新的键被按下，8042将不再接收，一直到缓冲区被清空，8042才会收到更多的扫描码。

现在，你一定明白了为什么图7.1中只打印了一个字符，因为我们的键盘中断处理例程什么都没做。只有我们把扫描码从缓冲区中读出来后，8042才能继续响应新的按键。

那么如何从缓冲区中读取扫描码呢？这就需要我们来看一看8042了。8042包含表7.1所示的一些寄存器。

注意：由于8042处在8048和系统的中间，所以输入和输出是相对的。比如，8042从8048输入数据，然后输出到系统。因此，表7.1中的出和入是相对于系统而言的。

对于(写8042)输入和(读8042)输出缓冲区，可以通过 in 和 out 指令来进行相应的读取操作。也就是说，一个 in al, 0x60 指令就可以读取扫描码了。

修改程序。在 chapter7/a/kernel/keyboard_handler 中添加下面一句：in_byte(0x60); 。运行，结果如图7.4所示：

按一下键，出现两个星号，再按一下，又出现两个。因为每次按键都产生一个 Make Code 和一个 Break Code 。

只打印星号显然不够有趣，我们把收到的扫描码打印一下看看，进一步修改keyboard_handler（代码7.4）。

接下来在运行的时候按两个键：字符 a 和 9 。

总共出现4组代码：0x1E, 0x9E, 0xA, 0x8A 。对照表7.2发现，它们恰恰就是字符 a 和 9 的 MakeCode 和 Break Code 。

注意：

• 由于 a 和 A 是同一个键，所以它们的扫描码是一样的，事实上它们就是同一个键）。
• 如果按下 左Shift+a ，将得到这样的输出：0x2A0x1E0x9E0xAA ，分别是左Shift键的 Make Code 、a 的 Make Code 、a 的 Break Code 以及左Shift键的 Break Code 。
• 所以，按下 Shift+a 得到 A 是软件的功劳，键盘和8042是不管这些的，在你自己的操作系统中，甚至可以让 Shift+a 去对应 S 或者 T ，只要你习惯就行。
• 同理，按下任何的键，不管是单键还是组合键，想让屏幕输出什么，或者产生什么反应，都是由软件来控制的。虽然增加了操作系统的复杂性，但这种机制无疑是相当灵活的。

同时也看到，虽然键盘支持的是 Scan code set2 ，最终又转化成了 Scan code set1 。这是基于为 XT 键盘写的程序兼容性而考虑的。又是兼容性问题，你脑海里会飞速闪过A20、内存空洞、被分割得乱七八糟的描述符等一系列令人厌恶的回忆。是啊，有时候，软硬件的设计者对兼容性的考虑的确占去了太多的精力，可是又有什么办法呢？

不过，我们马上就可以根据扫描码来处理键盘输入了，只要根据表格建立一种对应关系就够了。因此，忘掉这些不快吧。

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7.1.4 用数组表示扫描码

现在扫描码已被轻松获得，可是该如何将扫描码和相应字符对应起来呢？从表7.2中可以看出，Break Code 是 Make Code | 0x80 进行按位或操作的结果。可是 Make Code 和相应键的对应关系好像找不到什么规律。

不过还好，扫描码是一些数字，我们可以建立一个数组，以扫描码为下标，对应的元素就是相应的字符。要注意的是，其中以 0xE0 以及 0xE1 开头的扫描码要区别对待。

我们把这个数组写成如下这个样子。其中每3个值一组（ MAP_COLS 被定义成3），分别是单独按某键、Shift+某键和有0xE0前缀的扫描码对应的字符。Esc, Enter 等被定义成了宏，宏的具体数值无所谓，只要不会造成冲突和混淆，让操作系统认识就可以。



举个例子：

• 如果获得的扫描码是 0x1F，我们应该在代码7.5中很容易看到它对应的是字母s 。在写程序的时候，应该用 keymap[0x1F*MAP_COLS] 来表示 0x1F 对应的字符。
• 如果获得的扫描码是 0x2A0x1E ，它是左Shift键的 Make Code 和字符 a 的 Make Code 连在一起，说明按下Shift还没有弹起的时候a又被按下，因此应该用 keymap[0x1E*MAP_COLS+1] 表示行为的结果，即大写字母 A 。
• 存在 0xE0 的情况也是类似的，如果我们收到的扫描码是 0xE00x47 ，就应该去找 keymap[0x47*MAP_COLS+2] ，它对应的是 Home 。

问题是，8042的输入缓冲区大小只有一个字节，所以当一个扫描码有不止一个字符时，实际上会产生不止一次中断。也就是说，如果我们按一下 Shift+A ，产生的 0x2A0x1E0x9E0xAA 是 4 次中断接收来的。这就给我们的程序实现带来了困难，因为第一次中断时收到的 0x2A 无法让我们知道用户最终会完成什么，说不定是按下Shift又释放，也可能是 Shift+Z 而不是 Shift+A 。

于是，当接收到类似 0x2A 这样的值的时候，需要先把它保存起来，随后慢慢解析用户到底做了什么。

保存一个字符可以用全局变量来完成。可是，由于扫描码的值和长度都不一样，这项工作做起来可能并不简单。而且可以想像，键盘操作必将是频繁而且复杂的，如果把得到扫描码之后相应的后续操作都放在键盘中断处理中，最后keyboard_handler会变得很大，这不是一个好主意。

在这里，向前辈学习，建立一个缓冲区，让 keyboard_handler 将每次收到的扫描码放入这个缓冲区，然后建立一个新的任务专门用来解析它们并做相应处理。

7.1.5 键盘输入缓冲区

我们先来建立一个缓冲区（这个缓冲区的结构是借鉴来的），用以放置中断例程收到的扫描码（代码7.6）。

这个缓冲区的用法如下图所示，白色框表示空闲字节，灰色框表示已用字节。在执行写操作的时候要注意，如果已经到达缓冲区末尾，则应将指针移到开头。

对照上图，我们可以容易地对缓冲区进行添加操作：

代码很简单，但要注意，如果缓冲区已满，这里使用的策略是直接就把收到的字节丢弃。其中的 kb_in ，由于我们只在 keyboard.c 中使用，于是把它声明成一个 PRIVATE 变量（ PRIVATE 定义位于 const.h 中，被定义成了 static ）。注意，kb_in 的成员需要初始化，初始化的代码放在 init_keyboard( ) 中。

为了保持 kernel_main 的整洁，我们把时钟中断的设定和开启也放到单独的函数 init_clock 中。

这样，在 kernel_main 中调用这两个函数就可以了。

7.1.6 用新加的任务处理键盘操作

添加一个任务很简单，在6.4.6节中已经做过总结。下面要添加的这个任务将来不仅会处理键盘操作，还将处理诸如屏幕输出等内容，这些操作共同组成同一个任务：终端任务。现在，可以认为它只处理键盘输入。

为了简化程序，在这个任务中，我们不停地调用 keyboard.c 中的函数 keyboard_read ：

暂时先把所有对扫描码的处理都写进 keyboard.c 中。代码7.10中被 tty 使用的 keyboard_read 可以如代码7.11这样来定义。函数首先判断 kb_in.count 是否为 0 ，如不为 0 ，表明缓冲区中有扫描码，就开始读。读缓冲区开始时关闭了中断，到结束时才打开，因为 kb_in 作为一个整体，对其中的成员的操作应该是不受打扰的。读操作相当于写操作的反过程。

其中，disable_int( ) 和 enable_int( ) 的定义很简单（代码7.12）。

这样简单的两个汇编函数，完全可以用C语句中嵌入汇编的方式来做，而且，由于避免了调用函数的 call 指令和返回时的 ret 指令，因此更加节省时间。

这样我们就完成了通过任务来处理扫描码（其实还仅仅是打印数字）的代码，修改Makefile之后就可以 make 并运行了，运行结果与过去一样，因为我们没有对扫描码进行解析（扫描码是根据键盘布局来确定的）：

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7.1.7 解析扫描码

对扫描码的解析工作有一点烦琐，所以还是分步骤来完成它。

1. 让字符显示出来

虽然已经有了一个数组 keymap[ ] ，但是不要低估了解析扫描码的复杂性，因为它不但分为 Make Code 和 Break Code ，而且有长有短，功能也很多样，比如 Home 键对应的是一种功能而不是一个ASCII码，所以要区别对待。先挑能打印的打印一下，看代码7.13。

在代码7.11中，总体思想是：

• 0xE0 和 0xE1 单独处理且暂时不加理会。因为从表7.2中知道，除去以这两个数字开头的扫描码，其余的都是单字节的。
• 如果遇到不是以 0xE0, 0xE1 开头的，则判断是 Make Code 还是 Break Code ，如果是后者同样不加理会，如果是前者就打印出来。
• 前文中讲过，Break Code 是 MakeCode | 0x80 进行按位或操作的结果，代码中的 FLAG_BREAK 被定义成了 0x80 。
• 从 keymap[ ] 中取出字符的时候进行了一个与操作（scan_code&0x7F 。一方面，如果当前扫描码是 Break Code ，与操作之后就变成 Make Code 了；另一方面，这样做也是为了避免越界的发生，因为数组 keymap[ ] 的大小是 0x80 。

接下来就可以 make 并运行了，下图就是初步运行的结果。

敲入了 abc123456789 共计6个字母，它们被显示在了屏幕上。

2. 处理Shift、Alt、Ctrl

现在可以输入简单的字符和数字，但还有更复杂的输入，比如按个Shift组合。

下面就来添加代码，使其能够响应这些功能键。在代码7.14中，我们不但添加了处理 Shift 的代码，而且也对 Alt 和 Ctrl 键的状态进行了判断，只是暂时对它们还没有做任何的处理。

Shift, Alt, Ctrl 键左右各3个，最好不要把左右两个键不加区分，因为有一些软件需要区分对待，最简单而且经典的一个例子是超级玛丽，其中左右Shift功能是不一样的。为了不把左右键混为一谈，我们声明 6 个变量来记录它们的状态。

• 当其中的某一个键被按下时，相应的变量值变为 true 。比如，当我们按下左 Shift 键，shift_l 就变为 true ；
• 如果它立即被释放，则 shift_l 又变回 false 。
• 如果当左 Shift 键被按下且未被释放时，又按下 a 键，则 if (shift_l || shift_r) 成立，于是 column 值为 1 ，keymap[column] 的取值就是 keymap[ ] 中第二列中相应的值，即大写字母 A 。

同时，在这段代码中对以 0xE0 开头的扫描码也做了处理。其实它与按下 Shift 键类似，甚至还要更简单。

• 当检测到一个扫描码的第一个字节是 0x E0 时，将 code_with_E0 赋值为 true ，整个函数就返回了。
• 下一个字节马上进入处理过程，由于 code_with_E0 = true ，所以 column 值变成 2 ，于是 key 就变成 keymap[ ] 中第二列的值了。

在整个过程中，虽然开始变量 key 的值是从 keymap[ ] 中得到的，但从整个函数执行的角度来看，遵循这样的原则：

• 如果一个完整的操作还未结束，比如一个2字节的扫描码还未完全读入，则 key 赋值为 0 ，等到下一次 keyboard_read( )被执行时再继续处理。
• 目前的情况是，一个完整的操作需要在 keyboard_read( ) 多次调用时完成。

现在运行一下，结果如图所示：

如今我们的OS已经可以识别大小写字母，以及 !, @ 等字符了。

3. 处理所有按键

现在我们已经可以处理大部分按键了，但是至少存在两个问题：

1. 如果扫描码更加复杂，比如超过 3 个字符，程序还不足以很好地处理。
2. 如果按下诸如 F1, F2 这样的功能键，系统会试图把它当做可打印字符来处理，从而打印出一个奇怪的符号。

先来解决第一个问题。目前，一个完整的操作需要在 keyboard_read( ) 多次调用时完成。这不但增加了许多全局变量，如 code_with_E0 ，而且让 keyboard_read( ) 理解起来也更困难。

符合逻辑的方法是，按下一个键会产生一到几字节的扫描码，最好能够在一个过程中把它们全都读出来。这其实并不困难，只需将从 kb_in 中读取字符的代码单独拿出来作为一个函数，用到时调用它就可以了。

这段代码除了把函数 get_byte_from_kbuf( ) 单独拿出来之外，只是单独处理了 Pause, PrintScreen 两个按键。不过这样一来，每一次调用 keyboard_read( ) 都可以处理一个相对完整的过程。比如按下右侧的 Alt 键产生的 0xE0, 0x38 ，不必调用两次 keyboard_read( ) ，而且所有的按键都已经在处理范围之内了。不过，组合键的情况还是要多次调用 keyboard_read( ) 。

下面来解决第二个问题——关于非打印字符的处理。keyboard_read( ) 这个函数只是负责读取扫描码就可以了，如何处理不该是它的职责，因为只有更高层次的软件才能根据具体情况做出不同的反应。我们再将代码进行如下修改：

这样，无论是 Pause, PrintScreen ，还是其他以 0xE0 开头的扫描码或普通的单字符扫描码，都会交给函数 in_process( ) 来处理。而且，Shift, Alt, Ctrl 键的状态会用设置相应位的方式通过 Key 表现出来。我们马上写一个简单的 in_process( )（代码7.17）。

注意，这里有一个小技巧。如果打开 keyboard.h ，可以看到如下所示的情形：

在所有的不可打印字符的定义中，都加了一个 FLAG_EXT ，这就使得在程序中可以非常容易地识别出来。当 (!(key & FLAG_EXT)) 真时，就表明当前字符是一个可打印字符。执行后的效果如图所示：

我们成功地输出了 26 个字母，包括大写和小写，同时输出了数字，以及其他一些字符。当你按下 F1, F2 等功能键时，程序并不做出反应。这些都表明修改是成功的。

不管是单键还是组合键，都使用一个 32 位整型数 key 来表示。因为可打印字符的ASCII码是 8 位，而我们将特殊的按键定义成了 FLAG_EXT 和一个单字节数的和，也不超过 9 位，这样还剩很多位来表示 Shift, Alt, Ctrl 等键的状态，一个整型记载的信息就足够表示当前的按键情况。

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7.2 显示器

随着键盘模块的逐渐完善，我们越来越需要考虑它与屏幕输出之间的关系。终端进程不仅处理键盘操作，还将处理诸如屏幕输出等内容。所以，在彻底完成键盘驱动之前，我们必须了解终端的概念以及显示器的驱动方式。

另外，书中假定系统用的是 VGA 以上的视频子系统，并假定不使用单色模式。

7.2.1 初始TTY

对于终端最简单而形象的认识是，当按 Alt+F1, Alt+F2, Alt+F3 等组合键时，会切换到不同的屏幕。这些不同的屏幕中可以分别有不同的输入和输出，相互之间彼此独立。 在某个终端中，如果键入命令 tty ，执行的结果将是当前的终端号。

终端当然不仅是 Alt+Fn 这么简单，但在目前的操作系统中，我们暂时只实现这样简单的终端。对于不同的 TTY ，可以理解成下图的样式。

不同的 TTY 对应的输入设备虽是同一个键盘，但输出却像是在不同的显示器上，因为不同的 TTY 对应的屏幕画面可能是不同的。实际上，我们仍在使用同一个显示器，画面的不同只是因为显示了显存的不同位置。

3 个CONSOLE公用同一块显存，就必须有一种方式，在切换CONSOLE的瞬间，让屏幕显示显存中某个位置的内容。通过简单的端口操作相应的寄存器就可以做到这一点。

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7.2.2 基本概念

"显示器"并不是一个精确的称呼，因为我们操作的对象可能是显卡，或者仅仅是显存。下面暂时使用"视频"这个词。

从一开始写简单的 Boot Sector 的时候，我们就没有离开过对视频的操作——如果不是通过屏幕的反馈，我们怎么知道计算机在做些什么呢？

• 最初的 Boot Sector 中，打印字符是通过BIOS中断来实现的；
• 到了保护模式中，BIOS中断不能用，我们就在 GDT 中建立了一个段，它的开始地址是 0xB8000 ，通过段寄存器 gs 对它进行写操作，从而实现数据的显示。

目前，我们对于视频模块的操作也仅限于此，显示什么就 mov 而已。但是视频是一个很复杂的部分——显示适配器可以被设置成不同的模式，用来显示更多的色彩、更华丽的图像和动画。 这实现起来绝非易事。

不过我们没必要搞那么复杂，只要认识开机看到的默认模式就够了—— 80×25 文本模式， 这种模式下：

• 显存大小为 32KB ，占用的范围为 0xB8000～0xBFFFF ；
• 每 2 字节代表一个字符，其中低字节表示字符的ASCII码，高字节表示字符的属性——包括颜色，我们设置过字符的颜色，还写了一个函数 disp_color_str() 显示不同颜色的字符。在默认情况下，屏幕上每一个字符对应的2字节的定义如图所示：
  
• 一个屏幕总共可以显示 25 行，每行 80 个字符。

总的来说，屏幕字符对应的2个字节中：低字节表示的是字符本身，高字节用来定义字符的颜色。

• 颜色分前景和背景两部分，各占4位，其中低三位意义是相同的，表示颜色。
• 如果前景最高位为 1 的话，字符的颜色会比此位为 0 时亮一些；如果背景最高位为 1 ，则显示出的字符将是闪烁的（是字符闪烁而不是背景闪烁）。
• 更多细节请参考下表：
  

现在看第 3 章中代码 3.1 的这几行，就全明白了：

mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底; 1100: 高亮,红字
mov al, 'P'
mov [gs:edi], ax

想实际看一下各种颜色的效果，可以通过调用 disp_color_str( ) 并改变其参数去试一下。

同时，我们已经知道一个屏幕可以显示几行几列，又知道了一个字符占用几个字节，易得一个屏幕映射到显存中所占的空间大小：80×25×2=4000 Bytes 。

而显存有 32KB ，每个屏幕才占 4KB ，所以显存中足以存放 8 个屏幕的数据。如果我们有 3 个 TTY ，可以各占 10KB 的空间还有剩余，甚至在每一个 TTY 内还可以实现简单的滚屏功能。

如何能够让系统显示指定位置的内容呢？其实很简单，通过端口操作设置相应的寄存器就可以了。

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7.2.3 寄存器

从8259A到8042，再到现在的显示器，都是这样的流程，对端口操作而已。不过每种硬件各不相同，我们要了解其具体细节。

VGA 系统有 6 组寄存器，比较多，而且有些寄存器读和写端口还不一致。如表7.4所示：

使用英语就可以通过 Register 这个单词是否复数来判断寄存器是否只有一个。如 CRT Controller Registers 这一组，其中的 Data Registers 是复数，说明数据寄存器不止一个，如表7.5：

这样多的数据寄存器，只有一个端口 0x3D5 ，操作其中某个时要用到 Address Register 。表7.5中每一个寄存器都对应一个索引值，当想要访问其中一个时，只需要先向 Address Register 写对应的索引值（通过端口 0x3D4 ），再通过端口 0x3D5 进行的操作就是针对索引值对应的寄存器了。Data Registers 相当于一个数组，而 Address Register 则相当于数组的下标。

举例，假如想把索引号为 idx 的寄存器的值改为 new_value ，可以用两次端口操作来做：

out_byte(0x3D4, idx); 
out_byte(0x3D5, new_value);

我们试一下。从字面意思可知，Cursor Location High Register 和 Cursor Location LowRegister 用来设置光标位置，索引号分别是 0Eh, 0Fh 。

下面的程序中，我们不再让光标停在从Loader中调用BIOS中断显示完第5行的 Ready 之后。而是让它跟随我们敲入的每一个字符（代码7.19）。

其中，寄存器的端口地址和索引值的定义如代码7.20所示：

之所以 disp_pos 被 2 除，是因为屏幕上每个字符对应 2 字节。make 运行，效果如图所示：

可以看到，光标开始跟随字符了。进一步做试验，通过设置 Start Address High Register 和 Start Address LowRegister 来重新设置显示开始地址，从而实现滚屏的功能：

代码的意义是，检查当前按键是否是 Shift+↑ ，如果是，则卷动屏幕至 80×15 处，即向上卷动 15 行。运行，按Shift+↑，呈现出如下样子：

Start Address HighRegister, Start Address Low Register 两个寄存器可以用来设置从显存的某个位置开始显示。这个特性允许我们把显存划分成不同的部分，然后只需要简单的寄存器设置就可以显示相应位置的内容。

我们通过改变 VGA 寄存器的值实现了光标的移动和屏幕滚动。不过寄存器太多了！当然，我们暂时用到的没有多少。了解了它们的访问方式，需要某个功能时，查一下手册就可以了。

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7.3 TTY任务

了解了键盘和显示器的操作，我们就可以实现多个TTY了，让TTY任务这样运行：

• 在TTY任务中执行循环，每次都会轮询每个TTY，处理它的事件——包括从键盘缓冲区读取数据、显示字符等；
• 不是轮询到某个TTY时，箭头对应的全部事件都会发生。只有当某个TTY对应的控制台是当前控制台时，它才可以读取键盘缓冲区；
• TTY可以对输入数据做更多的处理，这里简化为"显示"；
• 键盘和显示器是每个TTY的一部分，是公共的。
  

总的来说，每次轮询到某个TTY时要做的：

• 处理输入——如果它是当前TTY，就从键盘缓冲区读取数据；
• 处理输出——如果有要显示的内容，则显示它。

将上面的TTY任务图转换为下面的函数调用图：task_tty() 是一个循环，它不断调用 keyboard_read() ，而 key_board() 从键盘缓冲区得到数据后，会调用 in_process() ，将字符直接显示出来。

话虽如此，实现起来就不是说的那么简单了：

• 每一个TTY都应该有自己的读和写的动作。所以在 keyboard_read( ) 内部，函数需要了解自己是被哪一个TTY调用。可以通过为函数传入指向当前TTY的指针来做到这一点。
• 为了让输入和输出分离，被 keyboard_read( ) 调用的 in_process( ) 不应该再直接回显字符，应该将回显的任务交给TTY来完成，因此，我们就需要为每个TTY建立一块缓冲区，用以放置将被回显的字符。
• 每个TTY回显字符时操作的CONSOLE是不同的，所以它们都应该有一个成员来记载其对应的CONSOLE信息。

7.3.1 TTY任务框架的搭建

TTY和Console的结体如下：

整个程序流程如下：

• task_tty( ) 中，通过循环来处理每一个TTY的读和写操作；
• 读写操作全都放在 tty_do_read( ), tty_do_write( ) 两个函数中，这样就让 task_tty( ) 很简洁，而且逻辑清晰。
• 读操作会调用 keyboard_read( ) ，此时已经多了一个参数；
• 写操作会调用 out_char( ) ，它会将字符写入指定的CONSOLE。
  

32KB的显存可以允许同时存在3个控制台，这里声明3个TTY和对应的3个CONSOLE：

task_tty( ) 框架实现如下，其中 nr_current_console 是一个定义在 const.h 的全局变量 EXTERN int nr_current_console; ，它可以用来记录当前的控制台是哪一个。只有当某个TTY对应的控制台是当前控制台时，它才可以读取键盘缓冲区：

在这个主循环中，先做了初始化工作。为其中的缓冲区设置初值和指定对应的CONSOLE：

tty_do_read( ) 要判断 nr_current_console 的值，对控制台进行切换时也要改变 nr_current_console ：

tty_do_read( ) 如下：

不过，key_board( ) 改变了，要对其函数体进行修改。同时 in_process( ) 也要增加参数 p_tty 。往TTY缓冲区写入数据的代码很简单，只把输出字符写入缓冲区，读操作就结束了；如果遇到 Alt+Fn 切换控制台的操作，也要在 in_process 中处理掉：

看一下写操作，它从TTY缓冲区中中取出值，类似 get_byte_from_kbuf( ) ，然后用 out_char( ) 显示在CONSOLE中：

out_char( ) 实现如下：V_MEM_BASE = 0xB8000 定义在 const.h 中， V_MEM_BASE + disp_pos 等同于当前显示位置的地址，我们直接把字符写入特定地址：

我们所做的工作如下：

• 当TTY任务开始运行时，初始化所有TTY，全局变量 nr_current_console = 0 ，开始循环并一直进行；
• 对于每个TTY，首先执行 tty_do_read( ) ，它调用 key_board( ) 并把读入的字符交给 in_process( ) 处理。如果是要输出的字符，in_process( ) 把它放入当前TTY的缓冲区中；
• 然后执行 tty_do_write( ) ，如果缓冲区中有数据，就送入 out_char( ) 进行显示。
• 由于 nr_current_console 初始化后没有变过，所以只有初始的TTY在接受处理，其他TTY没有动作。

运行结果如下：

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7.3.2 多控制台

这里来实现多个CONSOLE。前面，我们还根本没有用到CONSOLE的结构体成员。下图是某时刻显存的使用状态：

• original_addr, v_mem_limit 定义控制台所占显存的总体情况，一经初始就不再改变；
• current_start_addr 随着屏幕卷动而变化；
• cursor 每输出一个字符就更新一次；
  

为上述成员设置初始值：

• CONSOEL结构体中的成员都是 int/WORD 类型，符合对VGA寄存器操作的习惯；
• init_screen( ) 在 init_tty( ) 中调用，同时修改原来的 init_tty( ) ；
• 第一个CONSOLE使用原来的光标位置；其他控制台光标都在左上角，并且显示控制台号和一个字符 # 。
  

修改后的 init_tty( ) 如下：

out_char( ) 考虑到多控制台的情况，改变如下：

还需要一个切换控制台的函数：

set_video_start_addr( ) 如下：

另外，惯例是按下 Alt+Fn 完成切换工作：

有了 select_console( ) ，我们可以在 task_tty( ) 中这样初始化 nr_current_console ：

运行时发现通过 ALT+F1/F2 无法切换，可能是Windows快捷键占用或者是Ubuntu的快捷键设置——Alt + F1 聚焦到桌面左侧任务导航栏，Alt + F2 运行命令导致的。

上面是通过 Alt + F3 切换到的控制台2，然后输入字符串。如果切换回控制台0，会发现屏幕快满了。为此，添加屏幕滚动的代码。

这里简化了一下，当屏幕滚动到最下端后，再试图向下滚动时按键不再响应，最上端时也一样。

响应 Shift+↑, Shift+↓ 的代码如下：

再次运行，在控制台0按 Shift+↑ 多次，如下图：

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7.3.3 完善键盘处理

现在，我们对键盘的支持还是很差的，还不能使用 CapsLock, BackSpace 等等。如今任务框架搭好了，我们需要添加处理其他按键的代码。

1. 回车键和退格键

敲入回车和退格时，要往TTY缓冲区写入 "\n" 和 "\b" ，然后在 out_char( ) 做相应处理：

修改 out_char( ) ：

• 回车键将光标移动到下一行的开头；如果光标已经移出了屏幕，就会触发屏幕滚动；
• 退格键将光标移动到上一个字符的位置，并写一个空格清除原来的字符；
• 输出任何字符，都会做边界检验，防止写到别的控制台或者写到显存之外；
  
  运行效果如下，在控制台0中输出如下按键序列：
  
  然后，通过 ALT+F3 来到控制台2（这其实是第三个控制台 ^-^ ），输入如下序列：

这里我确认，之所以 ALT+F1/F2 无法切换是Ubuntu快捷键设置的问题。于是我想到禁用 ALT+F4 ，然后用 ALT+F3/F4/F5 替代 ALT+F1/F2/F3 ：

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2. CapsLock, NumLock, ScrollLock

我的键盘没有 ScrollLock ，NumLock 也被我用来作为一个截图软件的快捷键了。只有 CapsLock ，还像书中说的那样对应一个小灯 (LED) 。我们可以通过敲击键盘或者写入8042的输入缓冲区控制灯的亮灭。

8042的输入缓冲区和控制寄存器都是可写的，不过写入输入缓冲区是向8048发送命令，写入控制寄存器是向8042本身发送命令：

先看看对应的端口 0x60 ，写入这个端口将向8048发送命令，设置LED的命令是 0xED 。当键盘接受到命令时，会回复一个ACK 0xFA 信号，然后等待从端口 0x60 写入的LED参数字节：

当键盘收到参数字节后，再次回复一个ACK，并设置LED。

注意：向8042输入缓冲区写数据时，要先判断输入缓冲区是否为空——通过端口 0x64 读取状态寄存器，第2位如果是 0 ，表示输入缓冲区是空的，可以写入数据。代码如下：

其中，LED_CODE, KB_ACK, caps_lock=0, num_lock=1, scroll_lock=0 分别定义如下：

运行程序，系统启动之后NumLock被点亮。我的键盘这个键不会亮；num_lock=1 时可以使用数字功能，为了让功能起效，需要修改 keyboard_read( ) ——增加了一个 pad 变量；在 key 中设置了一个相应的位以区分普通数字键和小键盘数字键：

运行如下，出现问题，可能是因为我的键盘没有 NumLock 的LED灯和 ScrollLock 这个键：

这里就不多纠结了。

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7.3.4 TTY任务总结

到此，书中的TTY任务就暂时结束了。

不过问题是，终端任务运行在 ring1 ，但它与运行在 ring0 的 keyboard_handler 容易混淆。终端任务可以访问所有内存。kb_in 在 ring0 下写，在 ring1 下读。另外，Minix也是这样做的。

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7.4 区分任务和用户进程

现在，我们有了4个进程——TTY, A, B, C ，后三者可有可无，它们是"用户进程"，而TTY是"任务"。具体实现上，让用户进程运行在 ring3 ，任务运行在 ring1 ，ring0 运行的是进程调度：

现在，增加对 NR_PROCS 的定义，同时修改 NR_TASKS = 1 ：

然后，在所有用到 NR_TASKS 的地方进行修改。新声明一个数组 user_proc_table[ ] ：

然后，修改初始化进程表的代码。这里改变了用户进程的特权级，而且通过 eflags 的改变，取消了用户进程所有的IO权限：

另外，protect.c 中初始化GDT中LDT描述符的代码也进行了修改：

区分任务和用户进程后的 proc.c 进程调度代码：

make 运行如下，结果没有多少区别：

这次改动标志着Orange’s现在已经运行在了3个特权级上。普通的用户进程和系统任务从此区分开来。

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7.5 printf

现在，我们有了TTY，还有一个任务和三个用户进程，想看到它们在特定终端运行的情况。为此，我们需要有一个供输出使用的 printf( ) 。

printf( ) 进行屏幕输出，需要用到控制台模块的代码，因此，它需要通过系统调用才能完成。

7.5.1 为进程指定TTY

当某个进程调用 printf( ) 时，操作系统必须知道往哪个控制台输出才行。而系统调用发生，ring3 跳入 ring0 时，系统只能够知道当前系统调用是由哪个进程触发的，所以我们必须为每个进程指定一个与之对应的TTY。通过在进程表中增加一个成员即可：

用初始化 PROCESS 的 tick, priority 成员的方法，为 nr_tty 设置初值——在 for 循环中，所有进程的 nr_tty = 0 ，即默认与第0个TTY绑定。不过后面，将 B, C 两个进程与第1个TTY绑定，它们的输出将同时出现在控制台上1上；而 A 的输出出现在控制台 0 ：

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7.5.2 printf()的实现

从学习C的第一天开始，我们就开始用上 printf( ) 了，但是它的实现并不简单——它的参数个数和类型都可变；而且还有多种多样的表示格式的参数，如 %c, %s 等，这些都需要加以识别。

整个 printf( ) 的调用过程如下：

开始的 printf( ) 实现一个简单的，它只支持 %x 输出十六进制一种格式：

vsprintf( ) 的实现如下：

可变参数的原理：

调用一个函数时，总是先把参数压栈，然后通过call指令转移到被调用者，在完成后清理堆栈。 但这里遇到两个问题：

• 如果有多个参数，哪个参数先入栈，是前面的还是后面的？
• 由谁来清理堆栈，调用者还是被调用者？

这两个方面的问题其实被称为“调用约定”（Calling Conventions）……调用约定有若干种，每一种都规定参数入栈的顺序以及谁来清理堆栈。我们已经用汇编语言写过不少的函数，都是后面的参数先入栈(前面的参数就位于栈顶，更容易取出)，并且由调用者清理堆栈。这种约定被称做C调用约定。

C调用约定的好处在处理可变参数函数时得到了充分体现，因为只有调用者知道此次调用包含几个参数，于是可以方便地清理堆栈。C调用约定让使用可变参数的函数成为可能

可具体怎么做呢？

• 首先是它的声明，过去我们写的函数，都有确定类型的参数，可现在不同了，参数的个数和类型都不知道，于是，省略号就派上了用场，正如代码7.55所示，一个省略号，表示参数不知道有多少，更不知道是什么。
• …在每一次调用过程中，printf 必须有一种方法来使用这些参数才行。从代码7.55可以看到，printf 使用了它的第一个参数 fmt 作为基准，得到了后面若干参数的开始地址，这样，其值也就容易得到了。

举一个例子，假设我们调用 printf(fmt, var1, var2, var3) ，则堆栈情况将如图7.25所示：

&fmt 表示 fmt 地址，(char*)(&fmt) + 4 表示跟随在 fmt 后面的参数的地址。所以，接下来实际上是将 var3 的地址传递给了紧接着调用的 vsprintf 。va_list 其实就是 char* ，它的定义在 type.h 中。

函数 vsprintf 的实现见代码7.56，虽然它只识别 %x 这一种格式，但其他格式的原理也是一样的，即根据%后的格式字符就能判断下一个参数的类型，从而知道从堆栈中取出什么。

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7.5.3 系统调用write()

接下来完成 write( ) 系统调用，它把 vsprintf 输出的字符串打印到屏幕上。

增加一个系统调用 (foo) 的过程如下：

系统调用是 write( ) ，对应的内核部分是 sys_write( ) ，声明在 proto.h 中，对应第4步和第5步：

接下来是 write( ) 和 sys_write( ) 两个函数体：由于已有的系统调用没有参数，所以还需要修改 sys_call( ) ：

sys_write( ) 通过简单函数 tty_write( ) 实现字符输出，这里 sys_write( ) 比 write( ) 多一个参数，需要在修改的 sys_call( ) 中压栈，然后 sys_call 调用 sys_write ：

修改的 sys_call 如下。当前运行的进程是通过设置 p_proc_ready 来恢复执行的，所以当进程切换到未发生之前， p_proc_ready 的值就是指向当前进程的指针。把它压栈就是把当前进程即 write( ) 的调用者指针传递给了 sys_write( ) ：

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7.5.4 使用printf()

在3个用户进程中调用它：

运行，成功：
① 控制台0的情况：printf 打印出字符和数字；

② 控制台1的情况：printf 交替打印出两个进程的字母；

我们有了自己的 printf ，它运行在用户态，可以被普通的用户进程调用。现在，我们还可以到控制台2的空白屏幕敲击键盘输入字符。这就是一个多任务多控制台的操作系统的特性。