[自製操作系統] 第17回 編寫鍵盤驅動

来源:https://www.cnblogs.com/Lizhixing/archive/2022/07/11/15956006.html
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目錄 一、前景回顧 二、實現鍵盤輸入的中斷函數 三、編寫鍵盤驅動 四、實現環形輸入緩衝區 五、運行測試 一、前景回顧 上一回我們完成了鎖的實現，並且利用鎖優化了終端輸出函數。這一回我們來實現鍵盤的輸入，為後面的用戶交互功能打好基礎。 二、實現鍵盤輸入的中斷函數 首先我們需要知道鍵盤是屬於外設，所以對 ...


目錄
一、前景回顧
二、實現鍵盤輸入的中斷函數
三、編寫鍵盤驅動
四、實現環形輸入緩衝區
五、運行測試

 

一、前景回顧

　　上一回我們完成了鎖的實現，並且利用鎖優化了終端輸出函數。這一回我們來實現鍵盤的輸入，為後面的用戶交互功能打好基礎。

二、實現鍵盤輸入的中斷函數

　　首先我們需要知道鍵盤是屬於外設，所以對應的中斷屬於外部中斷。在講中斷那一章節時，我們知道了外部中斷的處理流程，不過對於鍵盤的輸入中斷，還需要增加一點點東西。

 　　

　　8048是鍵盤上的晶元，其主要任務就是監控哪個鍵被按下，一旦有按鍵信息，8048就將按鍵信息傳遞給鍵盤控制器8042（8042通常是Intel 8042或相容晶元，集成在主機內部的主板上），再由8042發送中斷信號給8259A。最重要的一點是，鍵盤的中斷號。

 　　

　　我們可以看到鍵盤對應的是IR1口，這個是硬體上決定的，所以我們無法更改。除此之外，在我們的程式中，我們將IR0口的中斷號設置為0x20，後面依次遞增，所以我們可以知道鍵盤的中斷號為0x21。這裡我們不管按鍵信息如何，我們只需要知道一旦有按鍵按下，就會有中斷觸發，所以我們嘗試寫一下按鍵的中斷處理函數。

　　在project/kernel目錄下新建keyboard.c、keyboard.h文件，除此之外還需要修改interrupt.c文件。

 1 #include "keyboard.h"
 2 #include "print.h"
 3 #include "interrupt.h"
 4 #include "io.h"
 5 #include "global.h"
 6 #include "stdint.h"
 7 
 8 #define KBD_BUF_PORT  0x60
 9 
10 static void intr_keyboard_handler(void)
11 {
12     put_str("k\n");
13     inb(KBD_BUF_PORT);
14 }
15 
16 /*鍵盤初始化*/
17 void keyboard_init(void)
18 {
19     put_str("keyboard init start\n");
20     register_handler(0x21, intr_keyboard_handler);
21     put_str("keyboard init done\n");
22 }
keyboard.c 
1 #ifndef  __KERNEL_KEYBOARD_H
2 #define  __KERNEL_KEYBOARD_H
3 
4 void keyboard_init(void);
5 static void intr_keyboard_handler(void);
6 #endif
keyboard.h 
 1 ...
 2 
 3 /* 初始化可編程中斷控制器8259A */
 4 static void pic_init(void) {
 5    /* 初始化主片 */
 6    outb (PIC_M_CTRL, 0x11);   // ICW1: 邊沿觸發,級聯8259, 需要ICW4.
 7    outb (PIC_M_DATA, 0x20);   // ICW2: 起始中斷向量號為0x20,也就是IR[0-7] 為 0x20 ~ 0x27.
 8    outb (PIC_M_DATA, 0x04);   // ICW3: IR2接從片. 
 9    outb (PIC_M_DATA, 0x01);   // ICW4: 8086模式, 正常EOI
10 
11    /* 初始化從片 */
12    outb (PIC_S_CTRL, 0x11);    // ICW1: 邊沿觸發,級聯8259, 需要ICW4.
13    outb (PIC_S_DATA, 0x28);    // ICW2: 起始中斷向量號為0x28,也就是IR[8-15] 為 0x28 ~ 0x2F.
14    outb (PIC_S_DATA, 0x02);    // ICW3: 設置從片連接到主片的IR2引腳
15    outb (PIC_S_DATA, 0x01);    // ICW4: 8086模式, 正常EOI
16 
17    /*只打開鍵盤中斷*/
18    outb (PIC_M_DATA, 0xfd);
19    outb (PIC_S_DATA, 0xff);
20 
21    put_str("pic_init done\n");
22 }
23 
24 ...
interrupt.c

　　最後編譯運行，可以看到我們一旦按下按鍵，屏幕便會列印信息，而且釋放按鍵也會列印信息。當然這是後面需要講解的內容，總之到現在，我們已經成功實現了按鍵的中斷處理函數。

 　　

三、編寫鍵盤驅動

　　現在來說說為什麼按下按鍵和釋放按鍵都會觸發中斷。其實這是硬體所決定的，一個鍵的狀態要麼是按下，要麼是彈起，因此一個按鍵有兩個編碼，按鍵被按下時的編碼是通碼，按鍵被釋放時的編碼是斷碼。

　　無論是按下鍵或是鬆開鍵，當鍵的狀態改變後，鍵盤中的8048晶元把按鍵對應的掃描碼（通碼或者斷碼）發送到主板上的8042晶元，由8042處理後保存在自己的寄存器中，然後向8259A發送中斷信號，這樣處理器便去執行鍵盤中斷處理程式，將8042處理過的掃描碼從它的寄存器中讀取出來，隨後將掃描碼轉換成對應的ASCII碼。

　　所以我們的函數中需要自己完善這麼一個映射關係，也就是掃描碼到ASCII碼的映射。這裡就偷懶直接抄書上的，我也沒有去仔細看了，總之能知道整個流程就行了。

　　所以進一步完善我們的keyboard.c文件如下。

  1 #include "keyboard.h"
  2 #include "print.h"
  3 #include "interrupt.h"
  4 #include "io.h"
  5 #include "global.h"
  6 #include "stdint.h"
  7 #include "ioqueue.h"
  8 
  9 #define KBD_BUF_PORT  0x60
 10 
 11 /*用轉移字元定義部分控制字元*/
 12 #define esc        '\033'
 13 #define backspace  '\b'
 14 #define tab        '\t'
 15 #define enter      '\r'
 16 #define delete     '\0177'
 17 
 18 /*以下不可見字元一律為0*/
 19 #define char_invisible  0
 20 #define ctrl_l_char     char_invisible
 21 #define ctrl_r_char     char_invisible
 22 #define shift_l_char    char_invisible
 23 #define shift_r_char    char_invisible
 24 #define alt_l_char      char_invisible
 25 #define alt_r_char      char_invisible
 26 #define caps_lock_char  char_invisible
 27 
 28 /*定義控制字元的通碼和斷碼*/
 29 #define shift_l_make     0x2a
 30 #define shift_r_make     0x36
 31 #define alt_l_make       0x38
 32 #define alt_r_make       0xe038
 33 #define alt_r_break      0xe0b8
 34 #define ctrl_l_make      0x1d
 35 #define ctrl_r_make      0xe01d
 36 #define ctrl_r_break     0xe09d
 37 #define caps_lock_make   0x3a
 38  
 39 /*定義以下變數記錄相應鍵是否按下的狀態*/
 40 static bool ctrl_status, shift_status, alt_status, caps_lock_status, ext_scancode;
 41 
 42 
 43 /*以通碼make_code為索引的二維數組*/
 44 static char keymap[][2] = {
 45 /*掃描碼未與shift組合*/
 46 /* 0x00 */    {0,    0},        
 47 /* 0x01 */    {esc,    esc},        
 48 /* 0x02 */    {'1',    '!'},        
 49 /* 0x03 */    {'2',    '@'},        
 50 /* 0x04 */    {'3',    '#'},        
 51 /* 0x05 */    {'4',    '$'},        
 52 /* 0x06 */    {'5',    '%'},        
 53 /* 0x07 */    {'6',    '^'},        
 54 /* 0x08 */    {'7',    '&'},        
 55 /* 0x09 */    {'8',    '*'},        
 56 /* 0x0A */    {'9',    '('},        
 57 /* 0x0B */    {'0',    ')'},        
 58 /* 0x0C */    {'-',    '_'},        
 59 /* 0x0D */    {'=',    '+'},        
 60 /* 0x0E */    {backspace, backspace},    
 61 /* 0x0F */    {tab,    tab},        
 62 /* 0x10 */    {'q',    'Q'},        
 63 /* 0x11 */    {'w',    'W'},        
 64 /* 0x12 */    {'e',    'E'},        
 65 /* 0x13 */    {'r',    'R'},        
 66 /* 0x14 */    {'t',    'T'},        
 67 /* 0x15 */    {'y',    'Y'},        
 68 /* 0x16 */    {'u',    'U'},        
 69 /* 0x17 */    {'i',    'I'},        
 70 /* 0x18 */    {'o',    'O'},        
 71 /* 0x19 */    {'p',    'P'},        
 72 /* 0x1A */    {'[',    '{'},        
 73 /* 0x1B */    {']',    '}'},        
 74 /* 0x1C */    {enter,  enter},
 75 /* 0x1D */    {ctrl_l_char, ctrl_l_char},
 76 /* 0x1E */    {'a',    'A'},        
 77 /* 0x1F */    {'s',    'S'},        
 78 /* 0x20 */    {'d',    'D'},        
 79 /* 0x21 */    {'f',    'F'},        
 80 /* 0x22 */    {'g',    'G'},        
 81 /* 0x23 */    {'h',    'H'},        
 82 /* 0x24 */    {'j',    'J'},        
 83 /* 0x25 */    {'k',    'K'},        
 84 /* 0x26 */    {'l',    'L'},        
 85 /* 0x27 */    {';',    ':'},        
 86 /* 0x28 */    {'\'',    '"'},        
 87 /* 0x29 */    {'`',    '~'},        
 88 /* 0x2A */    {shift_l_char, shift_l_char},    
 89 /* 0x2B */    {'\\',    '|'},        
 90 /* 0x2C */    {'z',    'Z'},        
 91 /* 0x2D */    {'x',    'X'},        
 92 /* 0x2E */    {'c',    'C'},        
 93 /* 0x2F */    {'v',    'V'},        
 94 /* 0x30 */    {'b',    'B'},        
 95 /* 0x31 */    {'n',    'N'},        
 96 /* 0x32 */    {'m',    'M'},        
 97 /* 0x33 */    {',',    '<'},        
 98 /* 0x34 */    {'.',    '>'},        
 99 /* 0x35 */    {'/',    '?'},
100 /* 0x36    */    {shift_r_char, shift_r_char},    
101 /* 0x37 */    {'*',    '*'},        
102 /* 0x38 */    {alt_l_char, alt_l_char},
103 /* 0x39 */    {' ',    ' '},        
104 /* 0x3A */    {caps_lock_char, caps_lock_char}
105 };
106 
107 /*鍵盤中斷處理程式*/
108 static void intr_keyboard_handler(void)
109 {
110     bool ctrl_down_last = ctrl_status;
111     bool shift_down_last = shift_status;
112     bool caps_lock_last = caps_lock_status;
113 
114 
115     bool break_code;
116     uint16_t scancode = inb(KBD_BUF_PORT);
117 
118     /*若掃描碼scancode是以e0開頭的，表示此鍵的按下將產生多個掃描碼
119     所以馬上結束此次中斷處理函數，等待下一個掃描碼進入*/
120     if (scancode == 0xe0) {
121         ext_scancode = true;
122         return;
123     }
124 
125     /*如果賞賜是以0xe0開頭的，將掃描碼合併*/
126     if (ext_scancode) {
127         scancode = ((0xe00) | scancode);
128         ext_scancode = false;
129     }
130 
131     break_code = ((scancode & 0x0080) != 0);
132     if (break_code) {
133         uint16_t make_code = (scancode &= 0xff7f); //多位元組不處理
134         if(make_code == ctrl_l_make || make_code == ctrl_r_make) {
135             ctrl_status = false;
136         } 
137         else if (make_code == shift_l_make || make_code == shift_r_make) {
138             shift_status = false;
139         }
140         else if (make_code == alt_l_make || make_code == alt_r_make) {
141             alt_status = false;
142         }
143         return;
144     }
145     else if((scancode > 0x00 && scancode < 0x3b) || (scancode == alt_r_make) || (scancode == ctrl_r_make)) {
146         bool shift = false; //先預設設置成false
147         if ((scancode < 0x0e) || (scancode == 0x29) || (scancode == 0x1a) || \
148         (scancode == 0x1b) || (scancode == 0x2b) || (scancode == 0x27) || \
149         (scancode == 0x28) || (scancode == 0x33) || (scancode == 0x34) || \
150         (scancode == 0x35))
151         {
152             if (shift_down_last) {
153                 shift = true;
154             }    
155         } else {
156             if (shift_down_last && caps_lock_last) {
157                 shift = false; //效果確實是這樣子的 我試了一下
158             }    
159             else if(shift_down_last || caps_lock_last) {
160                 shift = true; //其中任意一個都是大寫的作用
161             } 
162             else shift = false;
163         }
164         
165         uint8_t index = (scancode & 0x00ff);
166         char cur_char = keymap[index][shift];
167 
168     put_char(cur_char);
169     }
170     return;
171 }
172<
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