一个操作系统的实现（9）：输入输出系统

I/O的全称是“Input/Output”，即“输入/输出”。其中“输入”指的是键盘，“输出”则指的是显示器。


键盘


在8259A的中断例程中有一个“键盘中断”。其实键盘中断不仅仅是个中断号，它还涉及到其它的一些信息，比如哪个键发生了什么操作，以及键盘上其它键的状态等等。这又涉及到两块芯片：8042和8048。


8048存在于键盘中，作用是将收到的键盘信号传给8042。8042接收到信息后，会产生一个扫描码，然后给8259A发送一个中断。此时如果8048再向8042发送键盘信号，则8042不予理会。只有将扫描码从8042读出来才能继续接收下一个扫描码。读取60端口得到的值即为扫描码。


按下键盘上任一一个键都会产生一个唯一的扫描码，叫做通码；而键弹起时则会产生断码。通码和断码是不同的，并且除了Pause键，所有的键都对应一个唯一的通码和断码。其实，按下Shift+a得到A完全是软件实现的，在硬件层面上得到的结果实际上就是：按下Shift、按下a、放开a、放开Shift。


从8042得到的键需要进行判断。如果是Shift、Ctrl、Alt这样的键，则修改将其对应的状态码以便支持大小写字符或各种其它操作。有一部分键是以“E0”开头的双字节扫描码，对于这样的键，读到E0后不返回，紧接着再等待一个字节即可。


我们可以为最终得到的字符序列提供一段内存区域来保存它，这个地方叫做键盘缓冲区。书中的缓冲区使用的是队列数据结构，即用head和tail来表示缓冲区中字符串的位置。这个队列是一个环形队列，当指针到达缓冲区末尾时要将指针移到开头。


显示器


显示器上显示的内容实际上是映射到一段内存上的，这段内存叫做显存。开机时，显存的模式为文本模式，高度为25，宽度为80。显存占用的内存固定为0xB8000到0xBFFFF，两个字节表示一个字符，低字节表示ASCII码，高字节表示字符的颜色等属性。但是80*25*2=4000字节，而显存有32K，这就意味着我们可以存放将近8个屏幕的信息。如果我们给每个屏幕分配10KB的空间，还可以实现滚屏的功能。


显卡也有自己的寄存器，要操作这些寄存器可以通过端口来实现。比如我们可以设置光标的位置，让它跟随我们的键盘输入；还可以重设显存的起始地址，实现屏幕滚动，或显示不同的屏幕。


TTY


tty这个词源于TeleTYpewriter，即电传打字机。在Unix的世界里，tty用于表示终端，按下Alt+F1、Alt+F2等键可以切换到不同的终端。现在我们就可以实现这样的功能。


切换屏幕很简单，只需要将显存的起始地址指向相应的位置就行了。问题在于键盘。由于键盘只有一个，所以只有当前tty才有权读取键盘缓冲区。每个tty在输出时，只能输出到属于自己的那部分内存区域中。


完善键盘处理


回车键：检测到回车符后，将光标移到下一行的开头，然后判断光标是否移出了屏幕。如果是，则滚动屏幕。


退格键：将光标回退一个字符，并在那里写一个空格以擦除字符。同样也要判断光标是否移出了屏幕。


CapsLock、NumLock、ScrollLock：设置三个全局变量以保存这三个键的状态。每当按下这个键时，切换状态，对8042的端口发送与LED指示灯有关的控制信号即可。


关于tty、进程和特权级


tty并不像进程一样可有可无，它肩负着I/O的重任。但是它的重要性又比不上系统内核，因此它叫做“任务”进程。任务进程一般放在特权级为1的位置。


创建进程时，由于进程只能在一个tty内工作，所以要在进程表中标记出它所拥有的tty。


可变参数


C语言中的printf函数的原型为


void printf(const char*, ...)
请注意结尾的省略号，它表示函数的参数个数不固定。不固定的意思就是，你不知道参数有多少，更不知道是什么。


C语言中的函数，如果不加声明，统一遵循C调用约定：参数从右向左入栈，并且由调用者清理堆栈。从右向左入栈使得第一个参数，即开头的格式字符串，能够第一个弹出栈，而printf就可以分析这个字符串，进而得知后面的参数会有多少个。而调用者清理堆栈的好处就是，即使你不小心将调用函数的语句写成了这样：




printf("%d",1,2);
也不用担心堆栈错误。而被调用者清理堆栈的缺点就是，当printf分析字符串后，会认为后面只有一个参数，清理堆栈时只清理了连同字符串的两个参数，还剩余一个“2”留在了堆栈里，于是不可预料的错误就发生了。