对于输入输出系统的理解

Posted 2020-08-23 一肩担风月

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了对于输入输出系统的理解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

键盘的输入如何被系统识别

　　键盘的按键信号被8048键盘编码器处理后发送给8042键盘控制器，8042接收和解码8048传递过来的数据。然后8048给8259A一个中断信号，表明用户有键盘上的输入动作了。8259A再给cpu一个信号，cpu响应后会调用键盘中断处理程序。至于为什么cpu能找到键盘中断而不会错误地调用硬盘中断。

IDT表中有各序号对应的处理函数，只要序号正确cpu就能找到正确的处理函数
序号是8259A给的，8259A通过初始化时候的设置，确定好每个中断引脚对应的序号，发生中断的时候就可以得到正确的序号了。

键盘中断

　　　　键盘中断用来做什么事呢？很简单，就是从0x60端口读数据就可以了。另外如果不把0x60端口的数据读出来，那么下一次敲击键盘的信号就不能被8042接收了。

接收队列

　　键盘中断程序把接收到的数据放到哪里呢？应该放到一个全局变量里面，因为中断处理程序读到内存的数据是要给其他进程用的。这样的话，自然是用一个循环队列来表示比较好了。也就是常说的接收队列。

终端的概念

　　我不知道其他人是如何理解终端的。我的理解就是有输入的设备和输出的设备就算终端了。为什么叫TTY，历史遗留的问题吧，据说是电传打印机的名字。

多终端如何实现

　　　　其实多终端只是对于使用者来说的，按下Alt+F2就换到一个全新的输入窗口了，然后再按Alt+F1又变回来了，似乎真的是两个不相关的显示器一样。

　　　　以前我也好奇这是怎么实现的。但是那个时候学习重心都放在文件系统上了，精力有限，就没有再查阅资料了。正好在实践过程中看到多终端的实现，作者一讲原理，恍然大悟。

　　　　因为向显示器写数据的函数还是我们自己实现，只要我们组织好逻辑，给每个终端规划不同的显存，在调用写函数的时候写到各个终端自己的显存范围内，写满了就回滚，这样就实现了多终端了。

　　像书中的例子，32K的显存，给每个终端分10K的显存还有剩余的。第一个终端写0-10K的空间；第二个终端写10-20K的空间。那我们在设计TTY结构体的时候，只需要多设计一个CONSOLE结构体用来描述每个终端显存的信息，例如本终端显存起始地址、当前光标位置。

TTY私有接收队列

　　多个终端了，那么似乎一个键盘缓冲区不够用啊，比如说这个换行符该让哪个控制台换行呢？所以TTY结构体中又需要加上各自终端的接收队列，从键盘接收队列中读取数据然后放到自己的接收队列中，交给输出函数来输出就可以了。

　　　　在处理TTY的函数中，我们需要将键盘接收队列中的数据取出来放到当前控制台对应的TTY中的接收队列中就可以了。

控制字符的处理

　　　　但是键盘的按键不仅仅是英文字母和数字这么简单，还有很多控制键，例如左右Shift、Ctrl、Alt，CapsLock、Backspace、回车。都需要单独处理。需要一点点耐心逐步实现它们。

将TTY纳入文件系统

　　前面我们了解输入输出，但是仅仅做到自顾自的接收键盘输入然后打印到不同的显存区域中。似乎和我们常用的linux不太一样。常用的好像是通过文件描述符来操作终端呢。这就需要将TTY纳入文件系统了。

　　将TTY纳入文件系统后，TTY就不能像开始那样自己一个人玩那样，碰见键盘中断就接收然后打印出来。就要受制于文件系统提供的接口了。

进程和TTY绑定

　　这个时候TTY就不是独立的了，它必须被显式的调用才能进行终端的读写操作。这样一来，TTY就必然要和进程产生联系了，在TTY的结构体中也就要加入引起读写操作的进程号，以便在操作结束后能通知进程。

读写对象

　　此时TTY的读写函数要处理的不仅仅是键盘接收队列和显存了。它还要面对进程的需求。

　　对于用户的读请求，TTY任务需要不断的循环读键盘接收队列，然后回显到控制台，还要把有效字符放到用户提供的缓冲区中，读到“\n”字符则向发送请求的进程发送读取完成的消息。

　　对于用户的写情趣，TTY任务需要读取用户提供的缓冲区中的字符读取出来打印到控制台上。

字符设备文件

　　字符设备文件到底是什么呢？

　　假设没有这些设备文件，试想一下要怎么读写像终端这样的硬件设备呢？可能内核要单独提供接口，类似于read_TTY(int TTY_num,void *read_buffer,int size)。仔细看和普通的读写接口有什么不同。第一个参数是TTY的序号，而不是通常所说的文件描述符了。这意味着什么？意味开发人员必须要记住0号是哪个终端，1号是哪个终端，这样真的很头疼。如果再多几个硬件设备岂不是很郁闷了？除了极少数的一撮人有强大的记忆力外，一般人还是只擅长处理有意义的字符的。那么文件名是个极好的索引了，不会重复表示多个设备，也具有辨识意义。那就把设备也纳入文件系统吧，这样用来表示设备的文件就是设备文件了啊。

　　设备文件如何配合文件系统来工作呢？现代的文件系统自然是极其复杂的，已经不是一个人能面面俱到的掌握了。但是简单的文件系统的实现流程还是可以梳理顺畅的。我们想想文件系统里面inode结构体里面有个i_mode元素，这个就是用来分用文件处理流程的。如果这个文件的mode表明是个设备文件，那么其实这个文件在硬盘上没有真实的数据的，我们需要让文件处理流程走入和mode表明的设备处理流程中了。比如说像字符设备，mode== I_CHAR_SPECIAL这个时候我们就可以调用字符设备的处理函数了，那处理哪个TTY呢？上面我们看到读TTY设备的时候要提供TTY的序号，这个序号就是我们TTY结构体数组的下标，用来标示我们操作的是哪个TTY。那这个号存放在哪里？不得不说以前的操作系统设计师真是无所不用其极，还记得inode中有个成员i_start_sect吗？原本它是用来表示普通文件的数据存储的起始扇区的，现在用来存放设备号了！其实仔细一想，真是合情合理，既然这个文件在硬盘上没有真正的数据了，那这个字段不就是没有用了，挪作他用岂不是很好。