按下键盘后为什么屏幕上就会有输出
网络 通信技术
内存中有这样一部分区域,是和显存映射的。啥意思,就是你往上图的这些内存区域中写数据,相当于写在了显存中。而往显存中写数据,就相当于在屏幕上输出文本了。

书接上回,上回书咱们说到,继内存管理结构 mem_map 和中断描述符表 idt 建立好之后,我们又在内存中倒腾出一个新的数据结构 request。

并且把它们都放在了一个数组中。

这是块设备驱动程序与内存缓冲区的桥梁,通过它可以完整地表示一个块设备读写操作要做的事。

我们继续往下看,tty_init。

  1. void main(void) { 
  2.     ... 
  3.     mem_init(main_memory_start,memory_end); 
  4.     trap_init(); 
  5.     blk_dev_init(); 
  6.     chr_dev_init(); 
  7.     tty_init(); 
  8.     time_init(); 
  9.     sched_init(); 
  10.     buffer_init(buffer_memory_end); 
  11.     hd_init(); 
  12.     floppy_init(); 
  13.      
  14.     sti(); 
  15.     move_to_user_mode(); 
  16.     if (!fork()) {init();} 
  17.     for(;;) pause(); 

这个方法执行完成之后,我们将会具备键盘输入到显示器输出字符这个最常用的功能。

打开这个函数后我有点慌。

  1. void tty_init(void) 
  2.     rs_init(); 
  3.     con_init(); 

看来这个方法已经多到需要拆成两个子方法了。

打开第一个方法,还好。

  1. void rs_init(void) 
  2.     set_intr_gate(0x24,rs1_interrupt); 
  3.     set_intr_gate(0x23,rs2_interrupt); 
  4.     init(tty_table[1].read_q.data); 
  5.     init(tty_table[2].read_q.data); 
  6.     outb(inb_p(0x21)&0xE7,0x21); 

这个方法是串口中断的开启,以及设置对应的中断处理程序,串口在我们现在的 PC 机上已经很少用到了,所以这个直接忽略,要讲我也不懂。

看第二个方法,这是重点。代码非常长,有点吓人,我先把大体框架写出。

  1. void con_init(void) { 
  2.     ... 
  3.     if (ORIG_VIDEO_MODE == 7) { 
  4.         ... 
  5.         if ((ORIG_VIDEO_EGA_BX & 0xff) != 0x10) {...} 
  6.         else {...} 
  7.     } else { 
  8.         ... 
  9.         if ((ORIG_VIDEO_EGA_BX & 0xff) != 0x10) {...} 
  10.         else {...} 
  11.     } 
  12.     ... 

可以看出,非常多的 if else。

这是为了应对不同的显示模式,来分配不同的变量值,那如果我们仅仅找出一个显示模式,这些分支就可以只看一个了。 啥是显示模式呢?那我们得简单说说显示,一个字符是如何显示在屏幕上的呢?换句话说,如果你可以随意操作内存和 CPU 等设备,你如何操作才能使得你的显示器上,显示一个字符‘a’呢?

我们先看一张图。

内存中有这样一部分区域,是和显存映射的。啥意思,就是你往上图的这些内存区域中写数据,相当于写在了显存中。而往显存中写数据,就相当于在屏幕上输出文本了。

没错,就是这么简单。 如果我们写这一行汇编语句。

  1. mov [0xB8000],'h' 

后面那个 h 相当于汇编编辑器帮我们转换成 ASCII 码的二进制数值,当然我们也可以直接写。

  1. mov [0xB8000],0x68 

其实就是往内存中 0xB8000 这个位置写了一个值,只要一写,屏幕上就会是这样。

简单吧,具体说来,这片内存是每两个字节表示一个显示在屏幕上的字符,第一个是字符的编码,第二个是字符的颜色,那我们先不管颜色,如果多写几个字符就像这样。

  1. mov [0xB8000],'h' 
  2. mov [0xB8002],'e' 
  3. mov [0xB8004],'l' 
  4. mov [0xB8006],'l' 
  5. mov [0xB8008],'o' 

此时屏幕上就会是这样。

是不是贼简单?那我们回过头看刚刚的代码,我们就假设显示模式是我们现在的这种文本模式,那条件分支就可以去掉好多。 代码可以简化成这个样子。

  1. #define ORIG_X          (*(unsigned char *)0x90000) 
  2. #define ORIG_Y          (*(unsigned char *)0x90001) 
  3. void con_init(void) { 
  4.     register unsigned char a; 
  5.     // 第一部分 获取显示模式相关信息 
  6.     video_num_columns = (((*(unsigned short *)0x90006) & 0xff00) >> 8); 
  7.     video_size_row = video_num_columns * 2; 
  8.     video_num_lines = 25; 
  9.     video_page = (*(unsigned short *)0x90004); 
  10.     video_erase_char = 0x0720; 
  11.     // 第二部分 显存映射的内存区域  
  12.     video_mem_start = 0xb8000; 
  13.     video_port_reg  = 0x3d4; 
  14.     video_port_val  = 0x3d5; 
  15.     video_mem_end = 0xba000; 
  16.     // 第三部分 滚动屏幕操作时的信息 
  17.     origin  = video_mem_start; 
  18.     scr_end = video_mem_start + video_num_lines * video_size_row; 
  19.     top = 0; 
  20.     bottom  = video_num_lines; 
  21.     // 第四部分 定位光标并开启键盘中断 
  22.     gotoxy(ORIG_X, ORIG_Y); 
  23.     set_trap_gate(0x21,&keyboard_interrupt); 
  24.     outb_p(inb_p(0x21)&0xfd,0x21); 
  25.     a=inb_p(0x61); 
  26.     outb_p(a|0x80,0x61); 
  27.     outb(a,0x61); 

别看这么多,一点都不难。

首先还记不记得之前汇编语言的时候做的工作,存了好多以后要用的数据在内存中。

内存地址 长度(字节) 名称
0x90000 2 光标位置
0x90002 2
扩展内存数
0x90004 2 显示页面
0x90006 1
显示模式
0x90007 1 字符列数
0x90008 2 未知
0x9000A 1
显示内存
0x9000B 1
显示状态
0x9000C 2 显卡特性参数
0x9000E 1
屏幕行数
0x9000F 1 屏幕列数
0x90080 16
硬盘1参数表
0x90090 16 硬盘2参数表
0x901FC 2
根设备号

所以,第一部分获取 0x90006 地址处的数据,就是获取显示模式等相关信息。

第二部分就是显存映射的内存地址范围,我们现在假设是 CGA 类型的文本模式,所以映射的内存是从 0xB8000 到 0xBA000。

第三部分是设置一些滚动屏幕时需要的参数,定义顶行和底行是哪里,这里顶行就是第一行,底行就是最后一行,很合理。

第四部分是把光标定位到之前保存的光标位置处(取内存地址 0x90000 处的数据),然后设置并开启键盘中断。

开启键盘中断后,键盘上敲击一个按键后就会触发中断,中断程序就会读键盘码转换成 ASCII 码,然后写到光标处的内存地址,也就相当于往显存写,于是这个键盘敲击的字符就显示在了屏幕上。

这一切具体是怎么做到的呢?我们先看看我们干了什么。

1. 我们现在根据已有信息已经可以实现往屏幕上的任意位置写字符了,而且还能指定颜色。

2. 并且,我们也能接受键盘中断,根据键盘码中断处理程序就可以得知哪个键按下了。

有了这俩功能,那我们想干嘛还不是为所欲为?

好,接下来我们看看代码是怎么处理的,很简单。一切的起点,就是第四步的 gotoxy 函数,定位当前光标。

  1. #define ORIG_X          (*(unsigned char *)0x90000) 
  2. #define ORIG_Y          (*(unsigned char *)0x90001) 
  3. void con_init(void) { 
  4.     ... 
  5.     // 第四部分 定位光标并开启键盘中断 
  6.     gotoxy(ORIG_X, ORIG_Y); 
  7.     ... 

这里面干嘛了呢?

  1. static inline void gotoxy(unsigned int new_x,unsigned int new_y) { 
  2.    ... 
  3.    x = new_x; 
  4.    y = new_y; 
  5.    pos = origin + y*video_size_row + (x<<1); 

就是给 x y pos 这三个参数附上了值。

其中 x 表示光标在哪一列,y 表示光标在哪一行,pos 表示根据列号和行号计算出来的内存指针,也就是往这个 pos 指向的地址处写数据,就相当于往控制台的 x 列 y 行处写入字符了,简单吧?

然后,当你按下键盘后,触发键盘中断,之后的程序调用链是这样的。

  1. _keyboard_interrupt: 
  2.     ... 
  3.     call _do_tty_interrupt 
  4.     ... 
  5.      
  6. void do_tty_interrupt(int tty) { 
  7.    copy_to_cooked(tty_table+tty); 
  8.  
  9. void copy_to_cooked(struct tty_struct * tty) { 
  10.     ... 
  11.     tty->write(tty); 
  12.     ... 
  13.  
  14. // 控制台时 tty 的 write 为 con_write 函数 
  15. void con_write(struct tty_struct * tty) { 
  16.     ... 
  17.     __asm__("movb _attr,%%ah\n\t" 
  18.       "movw %%ax,%1\n\t" 
  19.       ::"a" (c),"m" (*(short *)pos) 
  20.       :"ax"); 
  21.      pos += 2; 
  22.      x++; 
  23.     ... 

前面的过程不用管,我们看最后一个函数 con_write 中的关键代码。

__asm__ 内联汇编,就是把键盘输入的字符 c 写入pos 指针指向的内存,相当于往屏幕输出了。

之后两行 pos+=2 和 x++,就是调整所谓的光标。

你看,写入一个字符,最底层,其实就是往内存的某处写个数据,然后顺便调整一下光标。

由此我们也可以看出,光标的本质,其实就是这里的 x y pos 这仨变量而已。

我们还可以做换行效果,当发现光标位置处于某一行的结尾时(这个应该很好算吧,我们都知道屏幕上一共有几行几列了),就把光标计算出一个新值,让其处于下一行的开头。

就一个小计算公式即可搞定,仍然在 con_write 源码处有体现,就是判断列号 x 是否大于了总列数。

  1. void con_write(struct tty_struct * tty) { 
  2.     ... 
  3.     if (x>=video_num_columns) { 
  4.         x -= video_num_columns; 
  5.         pos -= video_size_row; 
  6.         lf(); 
  7.   } 
  8.   ... 
  9.  
  10. static void lf(void) { 
  11.    if (y+1<bottom) { 
  12.       y++; 
  13.       pos += video_size_row; 
  14.       return
  15.    } 
  16.  ... 

相似的,我们还可以实现滚屏的效果,无非就是当检测到光标已经出现在最后一行最后一列了,那就把每一行的字符,都复制到它上一行,其实就是算好哪些内存地址上的值,拷贝到哪些内存地址,就好了。

这里大家自己看源码寻找。 所以,有了这个初始化工作,我们就可以利用这些信息,弄几个小算法,实现各种我们常见控制台的操作。

或者换句话说,我们见惯不怪的控制台,回车、换行、删除、滚屏、清屏等操作,其实底层都要实现相应的代码的。 所以 console.c 中的其他方法就是做这个事的,我们就不展开每一个功能的方法体了,简单看看有哪些方法。

  1. // 定位光标的 
  2. static inline void gotoxy(unsigned int new_x, unsigned int new_y){} 
  3. // 滚屏,即内容向上滚动一行 
  4. static void scrup(void){} 
  5. // 光标同列位置下移一行 
  6. static void lf(int currcons){} 
  7. // 光标回到第一列 
  8. static void cr(void){} 
  9. ... 
  10. // 删除一行 
  11. static void delete_line(void){} 

内容繁多,但没什么难度,只要理解了基本原理即可了。

OK,整个 console.c 就讲完了,要知道这个文件可是整个内核中代码量最大的文件,可是功能特别单一,也都很简单,主要是处理键盘各种不同的按键,需要写好多 switch case 等语句,十分麻烦,我们这里就完全没必要去展开了,就是个苦力活。 到这里,我们就正式讲完了 tty_init 的作用。

在此之后,内核代码就可以用它来方便地在控制台输出字符啦!这在之后内核想要在启动过程中告诉用户一些信息,以及后面内核完全建立起来之后,由用户用 shell 进行操作时手动输入命令,都是可以用到这里的代码的! 让我们继续向前进发,看下一个被初始化的倒霉鬼是什么东东。 欲知后事如何,且听下回分解。

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责任编辑:武晓燕 来源: 低并发编程

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