前情提要

上一節(jié)我們實(shí)現(xiàn)了鎖與信號量，這一節(jié)我們就可以實(shí)現(xiàn)鍵盤驅(qū)動(dòng)了，訪問鍵盤輸入的數(shù)據(jù)也屬于臨界區(qū)資源，所以需要鎖的存在。

一、鍵盤簡介

之前的 ps/2 鍵盤使用的是中斷驅(qū)動(dòng)的，在當(dāng)時(shí)，按下鍵盤就會(huì)觸發(fā)中斷，引導(dǎo)操作系統(tǒng)去處理這個(gè)按鍵行文。但是當(dāng)今的usb鍵盤，使用的是輪詢機(jī)制，cpu會(huì)定時(shí)訪問鍵盤看有沒有按下鍵盤。

我個(gè)人認(rèn)為這是cpu技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致的，在之前，cpu的頻率比較低，使用輪詢可能會(huì)導(dǎo)致漏掉用戶按鍵的行為。但是在今天，cpu的主頻已經(jīng)非常高了，處理一個(gè)按鍵行為就觸發(fā)中斷，這個(gè)開銷太大了，而且輪詢的頻率也上來了，現(xiàn)在每秒訪問幾千次對電腦一點(diǎn)影響都沒有，所以現(xiàn)在大多采用了輪詢機(jī)制。

不過據(jù)說中斷驅(qū)動(dòng)的還是比較快，現(xiàn)在一些電競主板還是支持ps/2的接口，這個(gè)未經(jīng)論證。

1.1、鍵盤的通碼與斷碼

鍵盤的狀態(tài)要么是按下，要么是彈起，因此一個(gè)鍵便有兩個(gè)編碼，按鍵按下時(shí)的編碼叫做通碼，鍵盤上的觸電接通了電路，使硬件產(chǎn)生了一個(gè)編碼，故此通碼叫makecode。按鍵在被按住不松手時(shí)會(huì)持續(xù)產(chǎn)生相同的碼，直到按鍵被松開時(shí)才終止，因此按鍵被松開彈起時(shí)產(chǎn)生的編碼叫斷碼，也就是電路被斷開了，不再持續(xù)產(chǎn)生碼了，故斷碼也稱為breakcode。

無論是按下鍵，或是松開鍵，當(dāng)鍵的狀態(tài)改變后，鍵盤中的8048芯片把按鍵對應(yīng)的掃描碼（通碼或斷碼）發(fā)送到主板上的8042芯片，由8042處理后保存在自己的寄存器中，然后向8259A發(fā)送中斷信號，這樣處理器便去執(zhí)行鍵盤中斷處理程序，將8042處理過的掃描碼從它的寄存器中讀取出來，繼續(xù)進(jìn)行下一步處理。

1.2、鍵盤掃描碼

鍵的掃描碼是由鍵盤中的鍵盤編碼器決定的，不同的編碼方案便是不同的鍵盤掃描碼，也就是說，相同的鍵在不同的編碼方案下產(chǎn)生的通碼和斷碼也是不同的。

根據(jù)不同的編碼方案，鍵盤掃描碼有三套，分別稱為scan code set 1、scan code set 2、scan code set 3。

其中scan code set 1是XT鍵盤用的掃描碼，這個(gè)歷史就比較久遠(yuǎn)了。scan code set 2是AT鍵盤的掃描碼，這個(gè)鍵盤和我們當(dāng)今的鍵盤也不是很一樣，但是已經(jīng)比較接近了。scan code set 3是IBM PS/2系列高端計(jì)算機(jī)所用的鍵盤上，IBM藍(lán)色巨人現(xiàn)在都涼了，這個(gè)鍵盤也就很少看到了。

第二套鍵盤掃描碼幾乎是目前所使用的鍵盤的標(biāo)準(zhǔn)，因此大多數(shù)鍵盤向8042發(fā)送的掃描碼都是第二套掃描碼。但是難免有別的鍵盤，所以才會(huì)出現(xiàn)8042這個(gè)芯片，這個(gè)芯片做一個(gè)中間層，為了兼容第一套鍵盤掃描碼對應(yīng)的中斷處理程序，不管鍵盤用的是何種鍵盤掃描碼，當(dāng)鍵盤將掃描碼發(fā)送到8042后，都由8042轉(zhuǎn)換成第一套掃描碼，我們再從8042中讀取掃描碼。

這里我們給出常用鍵位的掃描碼（這里的掃描碼就是通碼，加0x80就是斷碼）

問：為什么會(huì)有通碼和斷碼，通碼不就夠了嘛

**答：**如果按一個(gè)組合鍵的話，比如ctrl+a，是先按下ctrl，再按a，再松開ctrl，再松開a。如果沒有斷碼，我們無法判斷ctrl是否松開。

1.3、鍵盤的芯片

和鍵盤相關(guān)的芯片只有8042和8048，它們都是獨(dú)立的處理器，都有自己的寄存器和內(nèi)存。Intel 8048芯片或兼容芯片位于鍵盤中，它是鍵盤編碼器，Intel 8042芯片或兼容芯片被集成在主板上的南橋芯片中，它是鍵盤控制器，也就是鍵盤的IO接口，因此它是8048的代理，也是前面所得到的處理器和鍵盤的“中間層”。我們只需要學(xué)習(xí)8042就夠了

他的端口如下

狀態(tài)寄存器8位寬度的寄存器，只讀，反映8048和8042的內(nèi)部工作狀態(tài)。各位意義如下。

（1）位0：置1時(shí)表示輸出緩沖區(qū)寄存器已滿，處理器通過in指令讀取后該位自動(dòng)置0。
（2）位1：置1時(shí)表示輸入緩沖區(qū)寄存器已滿，8042將值讀取后該位自動(dòng)置0。
（3）位2：系統(tǒng)標(biāo)志位，最初加電時(shí)為0，自檢通過后置為1。
（4）位3：置1時(shí)，表示輸入緩沖區(qū)中的內(nèi)容是命令，置0時(shí)，輸入緩沖區(qū)中的內(nèi)容是普通數(shù)據(jù)。
（5）位4：置1時(shí)表示鍵盤啟用，置0時(shí)表示鍵盤禁用。
（6）位5：置1時(shí)表示發(fā)送超時(shí)。
（7）位6：置1時(shí)表示接收超時(shí)。
（8）位7：來自8048的數(shù)據(jù)在奇偶校驗(yàn)時(shí)出錯(cuò)。

8位寬度的寄存器，只寫，用于寫入命令控制字。每個(gè)位都可以設(shè)置一種工作方式，意義如下。

（1）位0：置1時(shí)啟用鍵盤中斷。
（2）位1：置1時(shí)啟用鼠標(biāo)中斷。
（3）位2：設(shè)置狀態(tài)寄存器的位2。
（4）位3：置1時(shí)，狀態(tài)寄存器的位4無效。
（5）位4：置1時(shí)禁止鍵盤。
（6）位5：置1時(shí)禁止鼠標(biāo)。
（7）位6：將第二套鍵盤掃描碼轉(zhuǎn)換為第一套鍵盤掃描碼。
（8）位7：保留位，默認(rèn)為0。

二、環(huán)形隊(duì)列

鍵盤中斷的數(shù)據(jù)是放在隊(duì)列中的，等待其他線程的讀取。如果我們之前做過關(guān)于軟件相關(guān)的工作，很容易理解這個(gè)概念，就是buffer，緩沖區(qū)。因?yàn)槲覀兪且恢痹谳斎氲?，所以這里設(shè)計(jì)成了環(huán)形隊(duì)列。

我們看一下環(huán)形隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

#define bufsize 256

/* 環(huán)形隊(duì)列 */
struct ioqueue {
    // 生產(chǎn)者消費(fèi)者問題
    struct lock lock;
    // 生產(chǎn)者,緩沖區(qū)不滿時(shí)就繼續(xù)往里面放數(shù)據(jù)
    struct task_struct* producer;
    // 消費(fèi)者,緩沖區(qū)不空時(shí)就繼續(xù)從往里面拿數(shù)據(jù)
    struct task_struct* consumer;
    char buf[bufsize];			// 緩沖區(qū)大小
    int32_t head;			    // 隊(duì)首,數(shù)據(jù)往隊(duì)首處寫入
    int32_t tail;			    // 隊(duì)尾,數(shù)據(jù)從隊(duì)尾處讀出
};

這個(gè)就很明朗了。一個(gè)生產(chǎn)者一個(gè)消費(fèi)者，生產(chǎn)者向buf中添加數(shù)據(jù)，消費(fèi)者從buf中取出數(shù)據(jù)，為了防止buf中的數(shù)據(jù)出錯(cuò)，生產(chǎn)者和消費(fèi)者同時(shí)只能有一個(gè)可以訪問到buf。如果buf中數(shù)據(jù)滿了，生產(chǎn)者就不能放了，此時(shí)阻塞生產(chǎn)者，如果buf中數(shù)據(jù)為空，消費(fèi)者就不能拿了，此時(shí)阻塞消費(fèi)者。

我們看一下具體的實(shí)現(xiàn)

/* 初始化io隊(duì)列ioq */
void ioqueue_init(struct ioqueue* ioq) {
    lock_init(&ioq->lock);                 // 初始化io隊(duì)列的鎖
    ioq->producer = ioq->consumer = NULL;  // 生產(chǎn)者和消費(fèi)者置空
    ioq->head = ioq->tail = 0;             // 隊(duì)列的首尾指針指向緩沖區(qū)數(shù)組第0個(gè)位置
}

/* 返回pos在緩沖區(qū)中的下一個(gè)位置值 */
static inline int32_t next_pos(int32_t pos) {
    return (pos + 1) % bufsize;
}

/* 判斷隊(duì)列是否已滿 */
bool ioq_full(struct ioqueue* ioq) {
    return next_pos(ioq->head) == ioq->tail;
}

/* 判斷隊(duì)列是否已空 */
bool ioq_empty(struct ioqueue* ioq) {
    return ioq->head == ioq->tail;
}

/* 使當(dāng)前生產(chǎn)者或消費(fèi)者在此緩沖區(qū)上等待 */
static void ioq_wait(struct task_struct** waiter) {
    // 二級指針不為空，指向的pcb指針地址為空
    ASSERT(*waiter == NULL && waiter != NULL);
    *waiter = running_thread();
    thread_block(TASK_BLOCKED);
}

/* 喚醒waiter */
static void wakeup(struct task_struct** waiter) {
    // 二級指針指向不為空
    ASSERT(*waiter != NULL);
    thread_unblock(*waiter);
    *waiter = NULL;
}

/* 消費(fèi)者從ioq隊(duì)列中獲取一個(gè)字符 */
char ioq_getchar(struct ioqueue* ioq) {
    // 若緩沖區(qū)(隊(duì)列)為空,把消費(fèi)者ioq->consumer記為當(dāng)前線程自己,等待生產(chǎn)者喚醒
    while (ioq_empty(ioq)) {
        lock_acquire(&ioq->lock);
        ioq_wait(&ioq->consumer);
        lock_release(&ioq->lock);
    }

    char byte = ioq->buf[ioq->tail];	  // 從緩沖區(qū)中取出
    ioq->tail = next_pos(ioq->tail);	  // 把讀游標(biāo)移到下一位置

    if (ioq->producer != NULL) {
        wakeup(&ioq->producer);		      // 喚醒生產(chǎn)者
    }

    return byte;
}

/* 生產(chǎn)者往ioq隊(duì)列中寫入一個(gè)字符byte */
void ioq_putchar(struct ioqueue* ioq, char byte) {
    // 若緩沖區(qū)(隊(duì)列)已經(jīng)滿了,把生產(chǎn)者ioq->producer記為自己,等待消費(fèi)者線程喚醒自己
    while (ioq_full(ioq)) {
        lock_acquire(&ioq->lock);
        ioq_wait(&ioq->producer);
        lock_release(&ioq->lock);
    }
    ioq->buf[ioq->head] = byte;      // 把字節(jié)放入緩沖區(qū)中
    ioq->head = next_pos(ioq->head); // 把寫游標(biāo)移到下一位置

    if (ioq->consumer != NULL) {
        wakeup(&ioq->consumer);      // 喚醒消費(fèi)者
    }
}

我們看一下后面兩個(gè)函數(shù)，wait和wakeup，這兩個(gè)函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)傳入的是一個(gè)pcb指針的地址，所以這里是一個(gè)二級指針。所以無論是阻塞還是解除阻塞都是取這個(gè)二級指針的地址，也就得到了pcb指針。這里對于不熟悉指針的人來說可能會(huì)有點(diǎn)擾。

三、鍵盤驅(qū)動(dòng)

#define KBD_BUF_PORT 0x60	 // 鍵盤buffer寄存器端口號為0x60

/* 用轉(zhuǎn)義字符定義部分控制字符 */
#define esc		    '\033'	 // 八進(jìn)制表示字符,也可以用十六進(jìn)制'\x1b'
#define backspace	'\b'
#define tab		    '\t'
#define enter		'\r'
#define delete		'\177'	 // 八進(jìn)制表示字符,十六進(jìn)制為'\x7f'

/* 以上不可見字符一律定義為0 */
#define char_invisible	0
#define ctrl_l_char	    char_invisible
#define ctrl_r_char	    char_invisible
#define shift_l_char    char_invisible
#define shift_r_char	char_invisible
#define alt_l_char	    char_invisible
#define alt_r_char	    char_invisible
#define caps_lock_char	char_invisible

/* 定義控制字符的通碼和斷碼 */
#define shift_l_make	0x2a
#define shift_r_make 	0x36 
#define alt_l_make   	0x38
#define alt_r_make   	0xe038
#define alt_r_break   	0xe0b8
#define ctrl_l_make  	0x1d
#define ctrl_r_make  	0xe01d
#define ctrl_r_break 	0xe09d
#define caps_lock_make 	0x3a

struct ioqueue kbd_buf;	   // 定義鍵盤緩沖區(qū)

/* 定義以下變量記錄相應(yīng)鍵是否按下的狀態(tài),
 * ext_scancode用于記錄makecode是否以0xe0開頭 */
static bool ctrl_status, shift_status, alt_status, caps_lock_status, ext_scancode;

/* 以通碼make_code為索引的二維數(shù)組 */
static char keymap[][2] = {
    /* 掃描碼   未與shift組合  與shift組合*/
    /* ---------------------------------- */
    /* 0x00 */	{0,	0},
    /* 0x01 */	{esc,	esc},
    /* 0x02 */	{'1',	'!'},
    /* 0x03 */	{'2',	'@'},
    /* 0x04 */	{'3',	'#'},
    /* 0x05 */	{'4',	'$'},
    /* 0x06 */	{'5',	'%'},
    /* 0x07 */	{'6',	'^'},
    /* 0x08 */	{'7',	'&'},
    /* 0x09 */	{'8',	'*'},
    /* 0x0A */	{'9',	'('},
    /* 0x0B */	{'0',	')'},
    /* 0x0C */	{'-',	'_'},
    /* 0x0D */	{'=',	'+'},
    /* 0x0E */	{backspace, backspace},
    /* 0x0F */	{tab,	tab},
    /* 0x10 */	{'q',	'Q'},
    /* 0x11 */	{'w',	'W'},
    /* 0x12 */	{'e',	'E'},
    /* 0x13 */	{'r',	'R'},
    /* 0x14 */	{'t',	'T'},
    /* 0x15 */	{'y',	'Y'},
    /* 0x16 */	{'u',	'U'},
    /* 0x17 */	{'i',	'I'},
    /* 0x18 */	{'o',	'O'},
    /* 0x19 */	{'p',	'P'},
    /* 0x1A */	{'[',	'{'},
    /* 0x1B */	{']',	'}'},
    /* 0x1C */	{enter,  enter},
    /* 0x1D */	{ctrl_l_char, ctrl_l_char},
    /* 0x1E */	{'a',	'A'},
    /* 0x1F */	{'s',	'S'},
    /* 0x20 */	{'d',	'D'},
    /* 0x21 */	{'f',	'F'},
    /* 0x22 */	{'g',	'G'},
    /* 0x23 */	{'h',	'H'},
    /* 0x24 */	{'j',	'J'},
    /* 0x25 */	{'k',	'K'},
    /* 0x26 */	{'l',	'L'},
    /* 0x27 */	{';',	':'},
    /* 0x28 */	{'\'',	'"'},
    /* 0x29 */	{'`',	'~'},
    /* 0x2A */	{shift_l_char, shift_l_char},
    /* 0x2B */	{'\\',	'|'},
    /* 0x2C */	{'z',	'Z'},
    /* 0x2D */	{'x',	'X'},
    /* 0x2E */	{'c',	'C'},
    /* 0x2F */	{'v',	'V'},
    /* 0x30 */	{'b',	'B'},
    /* 0x31 */	{'n',	'N'},
    /* 0x32 */	{'m',	'M'},
    /* 0x33 */	{',',	'<'},
    /* 0x34 */	{'.',	'>'},
    /* 0x35 */	{'/',	'?'},
    /* 0x36	*/	{shift_r_char, shift_r_char},
    /* 0x37 */	{'*',	'*'},
    /* 0x38 */	{alt_l_char, alt_l_char},
    /* 0x39 */	{' ',	' '},
    /* 0x3A */	{caps_lock_char, caps_lock_char}
    /*其它按鍵暫不處理*/
};

/* 鍵盤中斷處理程序 */
static void intr_keyboard_handler(void) {

    /* 這次中斷發(fā)生前的上一次中斷,以下任意三個(gè)鍵是否有按下 */
    bool ctrl_down_last = ctrl_status;
    bool shift_down_last = shift_status;
    bool caps_lock_last = caps_lock_status;

    uint16_t scancode = inb(KBD_BUF_PORT);

    // 若掃描碼是e0開頭的, 結(jié)束此次中斷處理函數(shù),等待下一個(gè)掃描碼進(jìn)來
    if (scancode == 0xe0) {
        ext_scancode = true;    // 打開e0標(biāo)記
        return;
    }

    // 如果上次是以0xe0開頭,將掃描碼合并
    if (ext_scancode) {
        scancode = ((0xe000) | scancode);
        ext_scancode = false;   // 關(guān)閉e0標(biāo)記
    }

    // 若是斷碼(按鍵彈起時(shí)產(chǎn)生的掃描碼)
    if ((scancode & 0x0080) != 0) {
        // 獲得相應(yīng)的通碼
        uint16_t make_code = (scancode &= 0xff7f);
        // 若是任意以下三個(gè)鍵彈起了,將狀態(tài)置為false
        if (make_code == ctrl_l_make || make_code == ctrl_r_make) {
            ctrl_status = false;
        }
        else if (make_code == shift_l_make || make_code == shift_r_make) {
            shift_status = false;
        }
        else if (make_code == alt_l_make || make_code == alt_r_make) {
            alt_status = false;
        }
        // 若是其他非控制鍵位，不需要處理，那些鍵位我們只需要知道通碼
        return;

    }
    // 若是通碼,只處理數(shù)組中定義的鍵以及alt_right和ctrl鍵,全是make_code
    else if ((scancode > 0x00 && scancode < 0x3b) || (scancode == alt_r_make) || (scancode == ctrl_r_make)) {
        // keymap的二維索引
        bool shift = false;
        // 按下的鍵不是字母
        if ((scancode < 0x0e) || (scancode == 0x29) || \
            (scancode == 0x1a) || (scancode == 0x1b) || \
            (scancode == 0x2b) || (scancode == 0x27) || \
            (scancode == 0x28) || (scancode == 0x33) || \
            (scancode == 0x34) || (scancode == 0x35)) {  
            if (shift_down_last) {
                shift = true;
            }
        }
        // 如果按下的鍵是字母，需要和CapsLock配合
        else {
            if (shift_down_last && caps_lock_last) {      // 如果shift和capslock同時(shí)按下
                shift = false;
            }
            else if (shift_down_last || caps_lock_last) { // 如果shift和capslock任意被按下
                shift = true;
            }
            else {
                shift = false;
            }
        }

        // 將掃描碼的高字節(jié)置0,主要是針對高字節(jié)是e0的掃描碼.
        uint8_t index = (scancode &= 0x00ff);
        // 在數(shù)組中找到對應(yīng)的字符
        char cur_char = keymap[index][shift];

        // 如果cur_char不為0,也就是ascii碼為除'\0'外的字符就加入鍵盤緩沖區(qū)中
        if (cur_char) {
            // 如果ctrl按下，且輸入的字符為‘l’或者‘u’，那就保存為 cur_char-‘a(chǎn)’，主要是‘a(chǎn)’前面26位沒啥用
            if ((ctrl_down_last && cur_char == 'l') || (ctrl_down_last && cur_char == 'u')) {
                cur_char -= 'a';
            }

            // 如果緩沖區(qū)未滿，就將其加入緩沖區(qū)
            if (!ioq_full(&kbd_buf)) {
                ioq_putchar(&kbd_buf, cur_char);
            }
            return;
        }

        // 記錄本次是否按下了下面幾類控制鍵之一,供下次鍵入時(shí)判斷組合鍵
        if (scancode == ctrl_l_make || scancode == ctrl_r_make) {
            ctrl_status = true;
        }
        else if (scancode == shift_l_make || scancode == shift_r_make) {
            shift_status = true;
        }
        else if (scancode == alt_l_make || scancode == alt_r_make) {
            alt_status = true;
        }
        // 這里注意，大寫的鎖定鍵是取反
        else if (scancode == caps_lock_make) {
            caps_lock_status = !caps_lock_status;
        }
    }
    else {
        put_str("unknown key\n");
    }
}

/* 鍵盤初始化 */
void keyboard_init() {
    put_str("keyboard init start\n");
    ioqueue_init(&kbd_buf);
    register_handler(0x21, intr_keyboard_handler);
    put_str("keyboard init done\n");
}

鍵盤驅(qū)動(dòng)就稍顯復(fù)雜一點(diǎn)，主要是涉及到了shift，ctrl，alt，caplock這些個(gè)控制鍵，這些鍵位是否按下所表示的通碼斷碼是不一樣的。這里就是處理字符，相信大家看代碼就可以看明白。

四、仿真

我們創(chuàng)建一個(gè)線程，鍵盤輸入什么，打印什么

結(jié)束語

本節(jié)我們編寫了鍵盤驅(qū)動(dòng)以及其使用的環(huán)形隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。下一節(jié)我們將實(shí)現(xiàn)一個(gè)用戶進(jìn)程，即特權(quán)級為3的進(jìn)程。

老規(guī)矩，代碼地址為 https://github.com/lyajpunov/os文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-858539.html

到了這里，關(guān)于手寫簡易操作系統(tǒng)(十七)--編寫鍵盤驅(qū)動(dòng)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！