从零开始写 OS 内核 - 键盘驱动

Posted 2021-09-03 navi

系列目录

• 序篇
• 准备工作
• Bios 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• 全局描述符表 GDT
• 中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 第一个内核线程
• 多线程运行与切换
• 锁与多线程同步
• 进入用户态
• 进程的实现
• 系统调用
• 简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 键盘驱动
• 运行 shell

键盘输入

这个 kernel 系列项目到这里已经完成了所有基本功能的搭建了，最后两篇算是拓展完善，我们将会加入键盘功能，并在此基础上实现一个 shell 命令行界面。

键盘码

键盘的详细原理和实现比较冗长无聊，这里也不想浪费时间解释，感兴趣的话你可以在网上找资料研究。本篇会尽可能地简单化处理，把很多底层细节省略掉，只关注核心实现原理。

一般来说键盘上你按一个键，然后松开，它会产生两个电信号：

• 按下键产生的那个信号叫通码（make code），就是接通的意思；
• 松开键产生的那个信号叫断码（break code），就是断开的意思；

通码和断码都称为扫描码（scan code），对于键盘来说是一视同仁的，就是发送一个信号给主机而已，操作系统接收到这一系列信号之后，则需要将它们翻译成对应的输出字符。一个键有通、断两个码是必要的，比如在用户界面上你可以决定是按下键就打印出字符，还是一定要按下并松开才打印字符，这在用户感受上是不一样的；再例如某些组合键，Shift + a，系统连续接收到 Shfit 的通码和 a 的通码，才会翻译成一个 A 的通码，中间不可以有 Shfit 的断码，否则表示 Shift 已经松开。

中断触发

键盘的信号是通过中断来触发的，中断号 33，因此我们首先为它注册中断 handler：

register_interrupt_handler(IRQ1_INT_NUM,
                           &keyboard_interrupt_handler);

在 keyboard_interrupt_handler 函数里，会从端口 0x60 读取输入的 scan code，然后将它加入到缓冲区暂存。这里我们用到了一个环形缓冲区（ring buffer），它是一个容量有限的队列，键盘中断 handler 不断将新输入的 scan code 加入到这个缓冲区尾部，而消费者则从缓冲区头部不断地读取消费 scan code 并翻译成字符。

消费阻塞等待

scan code 缓冲队列消费者是函数 read_keyboard_char_impl，它的核心逻辑在函数 process_scancode，它的功能是将读入的 scan code 翻译为字符。不过它的实现细节不必深究，十分枯燥冗长，就是对着 scan code 码表翻译而已。

int32 read_keyboard_char_impl() {
  if (queue.size == 0) {
    return -1;
  }

  int32 augchar = process_scancode((int)dequeue());
  while (!(KH_HASDATA(augchar) && KH_ISMAKE(augchar))) {
    if (queue.size == 0) {
      return -1;
    }
    augchar = process_scancode((int)dequeue());
  }
  return KH_GETCHAR(augchar);
}

如果缓冲区是空的，或者当前的 scan code 不足以翻译成一个有效的字符（例如只读到一个 Shfit 的通码），那么它不会返回有效字符。注意它的退出判断条件：

(KH_HASDATA(augchar) && KH_ISMAKE(augchar))

即翻译出来的是一个有效字符并且是一个通码，就视作是一个合法的按键输入，需要返回给上层做反馈。

read_char 系统调用

我们从顶向下来看用户如何获取键盘输入的字符。键盘输入的处理是在 kernel 里的，作为 user 层，需要使用系统调用来获取键盘输入。我们定义一个新的系统调用 read_char，具体实现是 read_keyboard_char 函数，它调用的正是上面的 read_keyboard_char_impl 函数。如果当前无有效字符能被翻译出来，它会阻塞当前线程，那么用户端看来就是程序会卡在这里，等待键盘输入。

如果有新的键盘中断进来，表示有新 scan code，那么 kernel 会唤醒阻塞在 read_keyboard_char 里的等待线程，让它继续消费 scan code 的缓冲区队列，尝试继续翻译有效字符出来。

可以用下面的测试程序，你会在屏幕上得到一个类似 shell 命令行，或者文本编辑器里的按键反馈输出字符的效果：

void test_read_char() {
    while (1) {
        int8 c = read_char();
        printf("%c", c);
    }
}