22.IO与显示器

Posted 2022-07-13 PacosonSWJTU

【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.显示器是输入型外设；
3.本章主要内容是讲 显示器是如何被驱动的；或操作系统是如何让用户来使用显示器的；
4.Printf是如何把字符打在显示器上的；

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【1】cpu操作外设背景

1）终端设备管理

• 包括 键盘和显示器；

【图解】
本章主要讲中断 IO设备 ，包括键盘和显示器；

2）如何让外设工作起来 ；

【图解】
1）外设工作原理：

• 步骤1：Cpu向外设控制器发出指令（如写命令），向外设控制器中的寄存器（或存储器）读写数据；如显卡控制器；
• 步骤2：写入完成后，外设控制器发出中断请求通知cpu写入完成； 随后，外设控制器会根据寄存器（或存储器）的内容实际来操控外设；如显存；
• 步骤3：cpu在处理外设控制器中断时，可能会读数据到内存，当然还会进行其他后续处理；

补充： cpu向外设控制器发送的指令示例。

• out xx, al  ， 其中xx是外设控制器端口，即cpu向外设端口发送命令；  

2）总结：cpu让外设工作起来做3件事情

• 事情1： 向外设控制器发送out指令；
• 事情2： 外设控制器执行指令完成后，发出中断请求，cpu处理中断；
• 事情3： 为了让使用外设简单，操作系统要提供一种统一的文件视图（因为各个厂商外设控制器设计不一样，如接口不一样，数据格式不一样，所以要提供统一的文件视图，或统一接口），即把外设看做一个文件；

 

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【2】CPU操作外设

【2.1】操作外设的程序

printf 函数： 就是操作外设的程序；

【图解】

1）一段操作外设的程序

// 一段操纵外设的程序 
// 打开外设对应的文件（dev，device设备） 
int fd = open("/dev/xx"); 
for (int i=0; i<10; i++) 

	write(fd, i, sizeof(int)); 

close(fd); 

 2）操作系统为用户提供统一接口：

• 无论什么设备都是，操作接口都是 open, read, write, close ;

3）根据设备文件找到控制器的地址，内容格式等；

• 不同设备对应不同的设备文件 (/dev/xxx)

3）统一的文件视图

操作系统无论操作哪种设备，都需要调用统一的文件接口（文件视图），包括open，read，write，close ；

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【2.2】输出到显示器

1）Printf 函数：

• Printf不是真相，printf底层调用了 系统调用write 把数据写入到显存，
• 而write系统调用或接口 最终会形成类似 out xx，al 指令发送给显存控制器 ；

 【图解】
1）系统调用 write

// 在 linux/fs/read_write.c 中 
// fd等于1，则写到显存； fd等于2，则写到打印机（举例）
// buf 对应内存缓冲区，要写出的数据先缓存到缓冲区，然后再写出到外设，如显存；
// count 写入字节数 
int sys_write(unsigned int fd, char *buf, int count) 

	struct file* file; 
	// fd等于1，打开显示器（显存）的文件 
	// current 指的是当前进程pcb 
	file = current->filp[fd]; 
	// 获取文件信息 
	inode = file -> f_inode; 

补充： inode  

• inode (index node)是指在许多“类Unix文件系统”中的一种数据结构，用于描述文件系统对象（包括文件、目录、设备文件、socket、管道等）。

2）fd=1的filp（文件指针）从哪里来 ？

【图解】
file = current->filp[fd];

其中fd=1；即fd=1对应到设备dev/tty0 ，而tty就是中断设备；
Open方法也是一个系统调用 sys_open ;

 

 小结：

• write(1, buf, ...) 中的1 是 open(“dev/tty0”) 产生的；
• 所以就形成了 父进程pcb文件指针 指向 dev/tty0的inode的链条；
• 核心就是把 dev/tty0的设备信息放入（通过open系统调用）inode，并把inode读入内存；  
• 根据inode把数据写入外设文件；

补充：inode (index node)是一种结构体，用于描述文件信息 或用于描述文件系统对象（包括文件、目录、设备文件、socket、管道等）。

3）向显存（屏幕）写出数据

【图解】
Write系统调用 

// write 系统调用 
在 linux/fs/read_write.c 中 
int sys_write(unsigned int fd, char *buf, int cnt) 

	// 获取外设  /dev/tty0 的inode 
	inode = file -> f_inode;
	// 判断是否字符设备； 计算机设备分为字符设备或块设备；  
	if (S_ISCHR( inode -> i_mode )) 
	
		// 读写字符，WIRTE 是写；
		// inode->i_zone[0]表示字符设备列表中的第几个设备的设备号（本例取4） ； 
		return wr_char(WRITE, INODE->I_ZONE[0],buf, cnt) ; 
	
 
// rw_char 
// 在 linux/fs/char_dev.c 中 
int rw_char(int rw, int dev, char *buf, int cnt) 

	// crw_table 表示字符设备操作的处理函数列表，其中 call_addr是函数指针； 
	crw_ptr call_addr = crw_table[MAJOR(dev)]; 
	call_addr(rw, dev, buf, cnt); ... 

4）字符设备处理函数列表 crw_table  （第4个字符设备处理函数是 rw_ttyx ）

【图解】

• 补充：终端设备指的是键盘和显示器； 其中键盘是读的，显示器是写的；
• tty_write：写出数据到字符设备的核心函数； 其中 tty->write_q 是把数据写入到缓冲区（队列write_q）；

4） tty_write(unsigned channel, char* buf, int nr) 写出数据的核心函数

 

【图解】
缓冲区写完之后，tty->wirte(tty) 把缓冲区数据刷新到显存（显卡）；

5）tty->write(*write) 把缓冲区数据刷新到显存

【图解】

• con_write  == console_write ；指的是显示器写函数（显存写入函数，属于显存驱动程序）；
•   从write_q队列或缓冲区中取出字符，并写入到显存；
• Movb _attr, %%ah， 把属性值 送入 ax寄存器高位；
• Movw %%ax, %1 把 ax 寄存器内容 写入到 外设控制器的存储空间（%1 指向pos指针）；其中al存储了缓冲区字符，pos指针指向了显存基址（显存与内存统一编址，在同一个内存空间中）；
• con_write函数每次只能写出一个字符到显存，多个字符循环调用 con_write 即可；

补充1：

• 有些外设控制器的寄存器地址（或存储器地址）可以与内存地址空间统一编址；寻址用mov；
• 如果外设控制器的寄存器地址独立编址，寻址用out；
• 即 mov 和 out 是一样的，没有本质区别；
• 又显存特别大，通常是与内存统一编址，所以使用的是 mov汇编指令；

补充2：如何写设备驱动程序？

• 步骤1：写出核心的out指令；
• 步骤2：然后将相应函数注册到这些表上；
• 步骤3：创建一个dev/xxx 外设文件；这个文件和你注册表上的设备名对应上；

【小结】
操作系统中最核心的kernel内核还是cpu进程管理与内存管理； 外围的设备驱动与文件系统很简单；

6）mov pos
把缓存区的数据写出到显存；

 

【图解】

• 显存的初始地址pos 是由 con_init() 函数初始化的，pos从0xA0000 开始 ；

6）修改 pos 显存

• pos +=2  
• Pos 指向了显存基址；每写入一个字符到显存后，pos指针都会加2；因为写入一个字符占1个字节，字符属性占1个字节，所以是加2，往后移动2个字节；

 

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 【3】printf 整个过程 

【图解】

• 步骤1：调用printf 库函数；
• 步骤2：调用系统调用 sys_open 打开终端文件 "dev/tty0" 获得设备号fd（显示器的设备号是1），和文件指针file；
• 步骤3：传入设备号fd 调用系统调用 sys_write；sys_write 通过文件指针找到外部设备文件的inode，判断该文件是否是字符文件；
• 步骤4：若是字符文件，则通过 inode 从 字符设备操作函数数组  crw_table  中查询 设备操作函数指针 rw_ttyx (外设文件读写函数)；
• 步骤5：rw_ttyx 设备操作函数 通过传入的 WRITE标识 调用 tty_write() 函数写出数据到外设文件；
• 步骤6：tty_write函数 先把数据写出到缓冲区（或队列） write_q;
• 步骤7：写出数据到缓冲区 write_q 完成后，调用 显示器写函数 con_write();
• 步骤8: con_write() 把缓冲区的字符循环写入到 显存； 写入显存命令为 mov pos,c ; pos+=2;其中 pos指针指向了显存基址；每写出一个字符，pos自加2；因为写入了2个字节，pos需要向后移动2个字节；1个字节是字符内容，1个字节是字符属性；