设备驱动与文件系统：02 键盘

操作系统中键盘驱动的讲解

在这一讲中，我将为大家讲解键盘相关内容。从上一讲开始，我们进入了操作系统第四个部分的学习，也就是操作系统对设备的驱动与管理。
上一讲我们探讨的是显示器，并且提到，一个终端设备是由显示器和键盘共同组成的，显示器属于终端设备的输出部分，我们在显示器上看到的内容就是其输出结果。而键盘，是我们进行最基本输入操作的设备 ，所以这一节，我要为大家讲解的就是键盘是如何被驱动的，以及操作系统是怎样使用键盘的。

外设工作基本原理回顾

要讲述键盘的故事，我们仍然需要从回顾上次讲的外设工作的基本原理开始。从上次课到今天的内容，再到下次课要讲的磁盘的使用和管理，都离不开那张外设工作的基本原理图。

上节课我讲过，外设工作的基本原理非常简单。外设的工作流程是：CPU发出一条读或写的指令，当外设工作完成后，会向CPU返回一个中断。无论是终端设备还是其他任何外设，基本思路都是如此。

想要实现外设的驱动，需要做三件事：

1. 核心部分：向设备控制器的某些寄存器端口或存储区域发出读写指令，这是计算机使用外设的核心，通常表现为几条指令。但要写出这些指令，必须对硬件有深入了解，清楚硬件的端口、指令格式及含义等，这些细节处理起来很麻烦，虽然原理简单，但实际操作复杂。
2. 统一文件视图：操作系统为了隐蔽硬件细节，将所有外设都以文件的形式呈现。根据文件名或文件对应的结构信息，决定最终执行哪一段与硬件交互的代码，将底层与硬件交互的代码通过文件方式进行封装，这是操作系统进行外设管理的第二个重要方面。
3. 中断处理：通常在设备完成读写操作后，进行后续相关工作，这是外设驱动的第三个部分。

将这三个部分弄明白，对于任何外设的管理原理也就基本掌握了。简单总结一下，第一部分是通过out指令向外设发送命令；第二部分是形成统一的文件视图；第三部分是进行中断处理 。掌握了这三个部分，整个外设工作原理就能清晰明了。

键盘驱动与操作系统对键盘的使用

对于键盘而言，它正好对应着中断处理这一部分。因为键盘的操作是由用户发起的，用户按下按键后就会产生中断，然后进行中断处理，最终将信息传递回上层的文件系统。这也再次印证了，只要理解了外设驱动的三个核心部分，学习任何设备的驱动原理都是相通的。

讲完今天关于键盘的内容，我们就能弄清楚计算机的输入输出原理。上一讲的显示器相当于输出设备，今天的键盘则是输入设备，当这两个设备的原理都搞清楚后，一台基本的计算机就能够正常使用了，即便没有驱动磁盘，只要有CPU、内存、键盘和显示器，计算机也可以运行。

那么，关于键盘的故事该从哪里开始讲起呢？用户敲下按键后会产生什么结果，又会触发哪些操作呢？答案是中断，按下按键后就会触发中断，所以整个故事应该从中断处理开始。

从硬件参与计算的角度来看，有两条路径：一条是从CPU发起，通过out指令向外设发送指令；另一条是从硬件产生中断信号，向CPU进行中断请求 。而这两条路径最终都会回归到文件系统的统一视图上。今天我们要讲的就是第二条路，从中断开始，因为设备（键盘）一旦有操作就会产生中断。当然，从中断开始，首先得了解中断初始化，即键盘中断被初始化成了什么函数，这个函数又负责做什么事情。

通过查阅手册可知，键盘中断对应21号中断。通过设置，将21号中断关联到特定的处理程序，当发生中断时，就会执行这个中断处理函数，键盘的故事也就由此展开。

中断处理函数的工作

接下来，我们看看中断处理函数具体做了哪些事情。中断处理函数的第一句是in指令，有out指令用于输出字节，相对应的，in指令就是读入一个字节。通过这条核心指令，我们可以将键盘控制器中60端口的内容读取到AL寄存器中。要理解这一步，需要具备一定的硬件知识，因为in和out这类与CPU和设备控制器寄存器交互的指令，都需要参考硬件手册，明确端口对应的含义。在这里，60端口存放的是扫描码，通过in指令，扫描码就被存储到了AL（在AX寄存器中）。

获取扫描码后，根据不同的扫描码，需要调用相应的table来执行对应的操作。这很好理解，不同的按键对应不同的扫描码，也就需要执行不同的操作。比如，如果扫描码对应的是字母“a”，那就产生字符“a”的ASCII码，然后向上传递；如果是其他按键，如大小写切换键，就执行相应的功能操作。

现在，我们已经有了扫描码，接下来就要根据扫描码获取对应的ASCII码，这就需要用到keymap。keymap其实就是一个存储着各种可显示字符ASCII码的表，例如数字、字母，以及按下Shift键时对应的特殊字符（如叹号、@、#等）的ASCII码 。将keymap表的起始地址存入EBX寄存器，再结合刚才获取的扫描码（作为表的偏移量），就可以找到按下按键所对应的ASCII码，并将其赋值给AL寄存器。至此，我们就成功得到了按键对应的ASCII码。

ASCII码的处理与存储

得到ASCII码后，下一步就是将其放置到合适的位置。显然，ASCII码需要被放到缓冲队列中，就像上一次讲显示器输出时，数据会被写入缓冲队列等待处理一样。在这里，键盘输入的ASCII码会通过put_queue操作，放入read_q队列中。put_queue的操作过程也很简单，就是获取read_q队列的头部指针，然后将ASCII码存储到队列头部。

到这一步，似乎键盘输入的处理已经完成了，将得到的ASCII码放入队列中，上层程序（如执行scanf的进程）在需要时就可以从队列中获取数据。这部分与显示器输出时数据写入队列，以及上层程序通过printf等函数从队列获取数据的原理是一样的，只是这里是输入操作，将write相关操作替换为read操作即可。

键盘输入的“回显”处理

不过，我们还需要考虑一个环节，那就是“回显”。“回显”其实就是对输入字符进行一些处理后，将其再次进行输出显示等操作 。在将字符放入队列时，对于一些可显示字符，通常需要进行“回显”操作，也就是将其显示在屏幕上。

“回显”的过程和前面将ASCII码放入read_q队列类似，同样是将字符数据写入相关队列（这里仍然是read_q队列），然后在“回显”操作中，通过调用console_write函数，将字符显示在屏幕上。

总结与拓展思考

我们可以总结一下键盘处理的整个流程：从硬件产生中断开始，中断处理程序获取扫描码，并将其转换为ASCII码，然后将ASCII码放入read_q队列中，在这个过程中可能会涉及一些中间处理和“回显”操作，最终上层程序从队列中获取数据进行后续处理 。

将键盘的处理和上次显示器的处理结合起来看，我们会发现它们都通过文件接口进行操作。输出时使用tty_write，输入时使用tty_read，分别操作write_q和read_q队列 。这再次印证了操作系统进行设备处理的三个核心部分：通过out指令与硬件交互、形成统一的文件视图、进行中断处理。无论是输入设备还是输出设备，其驱动原理都围绕这三个方面展开。

最后，我再给大家留下一个思考和实践的小任务。在上次的内容中，我们提到按下F12键要输出星号。从今天讲解的键盘驱动原理出发，实现这个功能其实并不难。当前按下F12键时，是由func函数进行处理的，我们只需要将其修改为自定义的函数（如my_func）。在my_func函数中，我们可以设置一个标志位flag，按下一次F12键，将flag置为1，此时输出全为星号；再按一次F12键，将flag置为0，恢复正常输出。同时，在tty_write函数中，根据flag的值判断是否将输出字符替换为星号 。大家可以在实验中尝试实现这个功能，通过实践，对操作系统设备驱动的理解将会上升到一个新的层次。