第十章-输入输出系统

Ⅰ.锁

本质是互斥操作

原因：针对公共资源访问时，临界区若不加以互斥限制，可能导致执行过程中突然的中断导致出现异常。

1.互斥过程

设定互斥量M为二值信号量，0/1，P-，V+，现有两个进程A、B共同访问公共资源R，则有

1.线程A访问R，P-，M=0

2.线程B访问R，P-，M<0，阻塞线程B，P+

3.线程A访问R结束，V+，唤醒线程B

4.线程B开始执行

阻塞功能 ：阻塞是线程主动的行为 。己阻塞的线程是由别人来唤醒的，通常是锁的持有者。不让线程在就绪队列中出现就行了，这样线程便没有机会运行。

线程自主阻塞之后，保存当前的寄存器，栈信息，当唤醒后，并不会从头开始执行，而是从线程阻塞的部分开始重新执行，并且时间片依旧是阻塞前的数值。

（1）实现线程阻塞和唤醒

/*	阻塞过程：
* 1.关中断
* 2.更改当前线程状态为阻塞态
* 3.调用schedule()，从就绪队列中取出下一个就绪线程列执行
* 4.开中断
*/
void thread_blocked(enum task_status state){// 原子操作，必须关中断enum intr_status old_status = intr_distable();// 只有是传入下面三种状态才可以被阻塞ASSERT((state == TASK_BLOCKED) || (state == TASK_HANGING) || (state == TASK_WAITING));struct task_struct * cur_thread = running_thread();cur_thread->status = state;schedule();// list_pop(&thread_ready_list, &cur_thread->general_tag);intr_set_status(old_status);
}
/* 唤醒线程
* 1.关中断
* 2.判断当前线程是否在就绪队列中
* 3.不在，则添加；在，则PANIC
* 4.当前线程加入就绪队列
* 5.修改状态为TASK_READY
* 6.开中断
*/
// 被阻塞的进程由于没有执行，因此不可以调度schedule()函数
void thread_unblocked(struct task_struct* pthread){enum intr_status old_status = intr_disable();ASSERT((pthread->status == TASK_BLOCKED) || (pthread->status == TASK_HANGING) || (pthread->status == TASK_WAITING));if(pthread->status != TASK_READY){ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &pthread->general_tag));if(elem_find(&thread_ready_list, &pthread->general_tag)){PANIC("thread_unblock:blocked thread in ready_list");}list_push(&thread_ready_list, &pthread->general_tag);pthread->status = TASK_RUNNING;}intr_set_status(old_status);
}

（2）实现PV操作

/* P操作，存在线程阻塞
* 1.关中断
* 2.判断当前semophore==0
* 3.为0，循环等待，并将当前线程加入信号量等待队列，并阻塞当前线程
* 4.不为0，semophore-1
* 5.开中断
*/
void sema_down(struct semaphore* psema) {emum intr_status old_status = intr_disable();while(psema->value == 0){ASSERT(!elem_find(&psema->waiters, &running_thread()->general_tag));if(elem_find(&psema->waiters, &running_thread()->general_tag)){PANIC("sema_down:P op failed");            }list_append(&psema->waiters, &running_thread()->general_tag);thread_blocked(TASK_BLOCKED);}psema->value--;ASSERT(psema->value == 0);intr_set_status(old_status);    
}
/* V操作，存在线程唤醒
* 1.关中断
* 2.判断当前信号量等待队列不为空，根据elem2entry找到队头线程的PCB地址,并唤醒
* 3.为空，semophore++
* 4.开中断
*/
void sema_up(struct semaphore* psema) {emum intr_status old_status = intr_disable();ASSERT(psema->value == 0);if(!list_empty(&psema->waiters)){struct task_struct* wait_thread = elem2entry(struct task_struct, general_tag, list_pop(&psema->waiters));thread_unblocked(wait_thread);}psema->value++;ASSERT(psema->value == 1);intr_set_status(old_status);    
}

（3）实现获得锁、释放锁操作

/* 获得锁
* 1.先判断自己是不是锁的持有者
* 2.不是，P操作，持有锁，持有次数+1
* 3.反之，持有次数+1
*/
void lock_acquire (struct lock* plock) {/*	排除曾经自己已经持有锁但还未将其释放的情况	*/if(plock->holder != running_thread()){sema_down(&plock->semaphore);plock->holder = running_thread();ASSERT(plock->holder_repeat_nr == 0);plock->holder_repeat_nr = 1;}else{plock->holder_repeat_nr++;}
}
/* 释放锁
* 1.ASSERT()判断是否拥有锁
* 2.判断持有锁的次数，防止进程需要多次访问资源。
* 3.清空锁
* 3.V操作
*/
void lock_release (struct lock* plock) {ASSERT(plock->holder == running_thread());if(plock->holder_repeat_nr > 1){plock->holder_repeat_nr--;return;}ASSERT(plock->holder_repeat_nr == 1);plock->holder = NULL;plock->holder_repeat_nr = 0;sema_up(&plock->semaphore);
}

Ⅱ.从键盘获取输入

键的扫描码：一个键的状态要么是按下，要么是弹起，因此一个键便有两个编码，按键被按下时的编码叫通码，也就是表示按键上的触点接通了内部电路，使硬件产生了一个码，故通码也称为 makecode。按键在被按住不松手时会持续产生相同的码，直到按键被松开时才终止，因此按键被松开弹起时产生的编码叫断码，也就是电路被断开了，不再持续产生码了，故断码也称为 breakcode。一个键的扫描码是由通码和断码组成的。

键盘编码器：键盘是个独立的设备，在它内部有个叫作键盘编码器的芯片，通常是 Intel 8048 或兼容芯片，它的作用是：每当键盘上发生按键操作，它就向键盘控制器报告哪个键被按下，以及键的扫描码。

键盘控制器：在主机内部的主板上，通常是 Intel 8042 或兼容芯片，接收来自键盘编码器的按键信息，将其解码后保存，然后向中断代理发中断，之后处理器执行相应的中断处理程序读入 8042 处理保存过的按键信息。

1.从键盘读取输入的过程

• 扫描码有 3 套，现在一般键盘中的 8048 芯片支持的是第二套扫描码 。 因此每当有击键发生时， 8048发给 8042 的都是第二套键盘扫描码。
• 8042 为了兼容性，将接收到的第二套键盘扫描码转换成第一套扫描码。 8042 是按字节来处理的，每处理一个字节的扫描码后，将其存储到自己的输出缓冲区寄存器 。
• 然后向中断代理 8259A 发中断信号，这样我们的键盘中断处理程序通过读取 8042 的输出缓冲区寄存器，会获得第一套键盘扫描码。

2.键盘扫描码

根据键盘的更新迭代，出现了3种常用的键盘扫描码，为了兼容第一套键盘扫描码对应的中断处理程序，不管键盘用的是何种键盘扫描码，当键盘将扫描码发送到 8042 后，都由 8042 转换成第一套扫描码。

8042介于8048与处理器中间，担任中间人的职责，完成处理器对8048的设置，以及8048的扫描码输入给处理器。因此8042作为输入输出缓存区，包括输入、输出缓冲寄存器，以及状态、控制寄存器。

Ⅲ.键盘驱动程序

对于键盘驱动程序而言，每次都需要读取输出寄存器，取出键盘的扫描码并完成转为ASCII码的工作。

键盘驱动程序，初始化（注册键盘中断处理程序）

#define KEY_BUF_PORT 0x60  // 键盘 buffer 寄存器端口号为 0x60
/* 键盘中断处理程序 */
static void intr_keyboard_handler(void) {
/* 必须要读取输出缓冲区寄存器,否则8042不再继续响应键盘中断 */uint8_t scancode = inb(KBD_BUF_PORT);put_int(scancode);return;
}/* 键盘初始化，注册键盘中断处理程序 */
void keyboard_init() {put_str("keyboard init start\n");register_handler(0x21, intr_keyboard_handler);put_str("keyboard init done\n");
}

1.C语言中有3中转义字符

(1） 一般转义字符，‘\＋单个字母’ 的形式。
(2）八进制转义字符，‘\0＋三位八进制数字表示的 ASCII 码’ 的形式 。
(3）十六进制转义字符，‘\x＋两位十六进制数字表示的 ASCII 码’ 的形式 。

2.处理扫描码

键盘驱动程序需要完成 键盘扫描码->按键的ASCII码 的映射过程

（1）设计思路：

1. 如果是一些用于操作方面的控制键，简称操作控制键，如＜shift＞、＜ctrl＞、＜caps lock＞，它通常是组合键，需要与其他键一起考虑，然后做出具体的行为展现，在键盘驱动中完成处理。
2. 如果是一些用于字符方面的键，无论是可见字符，或是字符方面的控制键（简称字符控制键），如＜backspace＞，统统交给字符处理程序完成。

对于第一阶段，它与字符无直接的关系，因此咱们就在键盘驱动中处理。
对于第二阶段，咱们得知道用户按下的是什么宇符，不能把操作控制键当成字符传给字符处理程序，比如把 shift键的扫描码传给 put_char，这不就乱了吗？因此，咱们得把按键的扫描码转换成对应的字符，也就是将通码转换为字符的 ASCII 码，这就是前面所说的源到目标的映射关系。

**简言之：需要区分什么按键是需要显示的，什么按键是负责控制的。**这就需要建立扫描码和ASCII码的映射表，对键盘输入加以判定。

（2）建立键盘字符与通码映射关系

keymap[][0]表示未与shift组合的按键值，keymap[][1]表示与shift组合的按键值

/* 以通码make_code为索引的二维数组 */
static char keymap[][2] = {
/* 扫描码   未与shift组合  与shift组合*/
/* ---------------------------------- */
/* 0x00 */	{0,	0},		
/* 0x01 */	{esc,	esc},		
/* 0x02 */	{'1',	'!'},		
/* 0x03 */	{'2',	'@'},		
/* 0x04 */	{'3',	'#'},		
/* 0x05 */	{'4',	'$'},		
/* 0x06 */	{'5',	'%'},		
/* 0x07 */	{'6',	'^'},		
/* 0x08 */	{'7',	'&'},		
/* 0x09 */	{'8',	'*'},		
/* 0x0A */	{'9',	'('},		
/* 0x0B */	{'0',	')'},		
/* 0x0C */	{'-',	'_'},		
/* 0x0D */	{'=',	'+'},		
/* 0x0E */	{backspace, backspace},	
/* 0x0F */	{tab,	tab},		
/* 0x10 */	{'q',	'Q'},		
/* 0x11 */	{'w',	'W'},		
/* 0x12 */	{'e',	'E'},		
/* 0x13 */	{'r',	'R'},		
/* 0x14 */	{'t',	'T'},		
/* 0x15 */	{'y',	'Y'},		
/* 0x16 */	{'u',	'U'},		
/* 0x17 */	{'i',	'I'},		
/* 0x18 */	{'o',	'O'},		
/* 0x19 */	{'p',	'P'},		
/* 0x1A */	{'[',	'{'},		
/* 0x1B */	{']',	'}'},		
/* 0x1C */	{enter,  enter},
/* 0x1D */	{ctrl_l_char, ctrl_l_char},
/* 0x1E */	{'a',	'A'},		
/* 0x1F */	{'s',	'S'},		
/* 0x20 */	{'d',	'D'},		
/* 0x21 */	{'f',	'F'},		
/* 0x22 */	{'g',	'G'},		
/* 0x23 */	{'h',	'H'},		
/* 0x24 */	{'j',	'J'},		
/* 0x25 */	{'k',	'K'},		
/* 0x26 */	{'l',	'L'},		
/* 0x27 */	{';',	':'},		
/* 0x28 */	{'\'',	'"'},		
/* 0x29 */	{'`',	'~'},		
/* 0x2A */	{shift_l_char, shift_l_char},	
/* 0x2B */	{'\\',	'|'},		
/* 0x2C */	{'z',	'Z'},		
/* 0x2D */	{'x',	'X'},		
/* 0x2E */	{'c',	'C'},		
/* 0x2F */	{'v',	'V'},		
/* 0x30 */	{'b',	'B'},		
/* 0x31 */	{'n',	'N'},		
/* 0x32 */	{'m',	'M'},		
/* 0x33 */	{',',	'<'},		
/* 0x34 */	{'.',	'>'},		
/* 0x35 */	{'/',	'?'},
/* 0x36	*/	{shift_r_char, shift_r_char},	
/* 0x37 */	{'*',	'*'},    	
/* 0x38 */	{alt_l_char, alt_l_char},
/* 0x39 */	{' ',	' '},		
/* 0x3A */	{caps_lock_char, caps_lock_char}
/*其它按键暂不处理*/
};

(3)更新键盘驱动程序

（3.1）读取扫描码

static void intr_keyboard_handler(void) {……bool break_code;uint16_t scancode = inb(KBD_BUF_PORT);/* 若扫描码是e0开头的,表示此键的按下将产生多字节的扫描码,如shift、alt、ctrl、caps_lock等扫描码为2字节* 所以马上结束此次中断处理函数,等待下一个扫描码进来*/ if (scancode == 0xe0) { ext_scancode = true;    // 打开e0标记return;}/* 如果上次是以0xe0开头,将扫描码合并 */if (ext_scancode) {scancode = ((0xe000) | scancode);ext_scancode = false;   // 关闭e0标记}   break_code = ((scancode & 0x0080) != 0);   // 获取break_code……
}

（3.2）需要判断当前键盘是处于断码/通码

通码的扫描码scancode第8位为0，断码为1。

若为断码，需要将操作方面的控制键状态改为false，如shift、alt。将他们的断码的第8位改为0，作为通码访问keyb_map获取具体是哪个控制键，然后更改状态即可。

/*---------------续上----------------*/if (break_code) {   // 若是断码break_code(按键弹起时产生的扫描码)/* 由于ctrl_r 和alt_r的make_code和break_code都是两字节,所以可用下面的方法取make_code,多字节的扫描码暂不处理 */uint16_t make_code = (scancode &= 0xff7f);   // 得到其make_code(按键按下时产生的扫描码)/* 若是任意以下三个键弹起了,将状态置为false */if (make_code == ctrl_l_make || make_code == ctrl_r_make) {ctrl_status = false;} else if (make_code == shift_l_make || make_code == shift_r_make) {shift_status = false;} else if (make_code == alt_l_make || make_code == alt_r_make) {alt_status = false;} /* 由于caps_lock不是弹起后关闭,所以需要单独处理 */return;   // 直接返回结束此次中断处理程序} 

若为通码，分为操作键和字符键两类，先要读取操作键，如shift、ctrl、alt、caps_lock，然后修改操作键的状态，根据操作键的状态确定映射的字符。

/*---------------续上----------------*//* 若为通码,只处理数组中定义的键以及alt_right和ctrl键,全是make_code */else if ((scancode > 0x00 && scancode < 0x3b) ||(scancode == alt_r_make) ||(scancode == ctrl_r_make)){bool shift = false; // 判断是否与shift组合,用来在一维数组中索引对应的字符if ((scancode < 0x0e) || (scancode == 0x29) ||(scancode == 0x1a) || (scancode == 0x1b) ||(scancode == 0x2b) || (scancode == 0x27) ||(scancode == 0x28) || (scancode == 0x33) ||(scancode == 0x34) || (scancode == 0x35)){/****** 代表两个字母的键 ********0x0e 数字'0'~'9',字符'-',字符'='0x29 字符'`'0x1a 字符'['0x1b 字符']'0x2b 字符'\\'0x27 字符';'0x28 字符'\''0x33 字符','0x34 字符'.'0x35 字符'/'*******************************/if (shift_down_last){ // 如果同时按下了shift键shift = true;}}else{ // 默认为字母键if (shift_down_last && caps_lock_last){ // 如果shift和capslock同时按下shift = false;}else if (shift_down_last || caps_lock_last){ // 如果shift和capslock任意被按下shift = true;}else{shift = false;}}uint8_t index = (scancode &= 0x00ff); // 将扫描码的高字节置0,主要是针对高字节是e0的扫描码.char cur_char = keymap[index][shift]; // 在数组中找到对应的字符/* 只处理ascii码不为0的键 */if (cur_char){put_char(cur_char);return;}/* 记录本次是否按下了下面几类控制键之一,供下次键入时判断组合键 */if (scancode == ctrl_l_make || scancode == ctrl_r_make){ctrl_status = true;}else if (scancode == shift_l_make || scancode == shift_r_make){shift_status = true;}else if (scancode == alt_l_make || scancode == alt_r_make){alt_status = true;}else if (scancode == caps_lock_make){/* 不管之前是否有按下caps_lock键,当再次按下时则状态取反,* 即:已经开启时,再按下同样的键是关闭。关闭时按下表示开启。*/caps_lock_status = !caps_lock_status;}}else{put_str("unknown key\n");}

Ⅳ.环形输入缓冲区

构建缓冲区保存键盘扫描码转换的字符，每次从缓冲区取出字符，完成打印。

利用生产者消费者模式构建环形队列，实现字符的取出和保存。主要完成缓冲区存储状态、添加1字节、删除1字节等操作。

1.环形队列结构体

/*  环形队列    */
struct ioqueue {struct lock lock;struct task_struct *producer;struct task_struct *consumer;// 缓冲区大小char buf[bufsize];// 队首，数据往队首处写入int32_t head;// 队尾，数据从队尾处读出int32_t tail;
};

2.缓冲区满

/*  返回 pos 在缓冲区中的下一个位置值  */
static int32_t next_pos (int32_t pos) {return (pos+1)%bufsize;
}
/*  采用头插法加入元素，判断队列是否已满  */
bool ioq_full(struct ioqueue* ioq) {ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);return next_pos(ioq->head) == ioq->tail;
}

3.缓冲区为空

/*  采用头插法加入元素，判断队列是否为空  */
bool ioq_empty(struct ioqueue* ioq) {ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);return ioq->head == ioq->tail;
}

4.缓冲区为空时，等待

/*      当前生产者或消费者在此缓冲区上等待      */
static void ioq_wait(struct task_struct ** waiter) {ASSERT((waiter != NULL) && (&waiter == NULL));*waiter = running_thread();thread_blocked(TASK_BLOCKED);
}

5.缓冲区不为空，唤醒waiterr

/*  唤醒 waiter    */
static void wakeup(struct task_struct** waiter) {ASSERT(&waiter != NULL);thread_unblocked(*waiterr);*waiterr = NULL;
}

6.缓冲区添加一字节

/*  生产者往 ioq 队列中写入一个字符 byte    */
void ioq_putchar(struct ioqueue* ioq, char byte) {ASSERT(intr_get_intr() == INTR_OFF);while(ioq_full(ioq)){lock_acquire(&ioq->lock);ioq_wait(&ioq);lock_release(&ioq->lock);}ioq->buf[ioq->head] = byte;ioq->head = next_pos(ioq->head);if(ioq->consumer != NULL){wakeup(&ioq->consumer);}
}

1. 判断缓冲区是否满了
2. 满了则请求锁，并wait，阻塞当前线程，释放锁
3. 反之，头插法，在队列头插入新元素
4. 唤醒消费者

7.缓冲区取出一字节

/*  消费者从 ioq 队列中获取一个字符   */
char ioq_getchar(struct ioqueue* ioq) {ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);while(ioq_empty(ioq)){lock_acquire(&ioq->lock);ioq_wait(&ioq);lock_release(&ioq->lock);}char byte = ioq->buf[ioq->tail];ioq->tail = next_pos(ioq->tail);if(ioq->producer != NULL){wakeup(&ioq->consumer);}return byte;
}

1. 判断缓冲区是否为空
2. 为空则请求锁，并wait，阻塞当前线程，释放锁
3. 反之，从队尾取出新元素
4. 唤醒生产者

over