通過對鍵盤輸入的處理過程和設備控制器的作用的瞭解，我們可以更好地理解操作系統如何與鍵盤設備進行交互，並正確處理鍵盤輸入。同時，瞭解設備控制器的作用可以幫助我們更好地理解操作系統與外設硬體之間的通信和控制過程。 ...
流程初探
鍵盤是我們最常用的輸入硬體設備之一。作為程式員，你知道當我們敲擊鍵盤上的字母"A"時，操作系統會發生什麼嗎？下麵我將簡要介紹整個過程，以便你更容易理解為什麼需要這些組件。
首先，讓我們來看看CPU的硬體架構圖。
CPU內部的記憶體介面需要通過系統匯流排和I/O橋接器與記憶體建立連接。而橋接器另一側連接著通過記憶體匯流排與CPU建立連接的記憶體。其他外接設備，如鍵盤和顯示器，都是通過I/O匯流排連接的I/O設備。
當我們敲擊鍵盤上的字母"A"時，整個過程可以簡要概括為以下幾個步驟：
- 鍵盤設備控制器掃描碼存儲：鍵盤設備控制器將掃描碼數據存儲在數據寄存器中。
- 中斷請求發送給CPU：鍵盤設備控制器向CPU發送中斷請求。
- CPU保存上下文並調用中斷處理程式：CPU接收到中斷請求後，保存當前進程的上下文，並調用鍵盤的中斷處理程式。
- 掃描碼轉換為ASCII碼並存儲在鍵盤緩衝區：中斷處理程式將掃描碼轉換為對應的ASCII碼，並將其存儲在鍵盤緩衝區中。
- 鍵盤驅動程式讀取緩衝區的掃描碼：鍵盤驅動程式負責讀取鍵盤緩衝區中的掃描碼。
- 數據傳遞給應用程式：鍵盤驅動程式根據需要將數據傳遞給相應的應用程式。
- 顯示驅動程式控制顯示器顯示：顯示驅動程式負責數據一個一個寫入到顯示設備的控制器的寄存器中的數據緩衝區並控制顯示器的顯示和屏幕圖像的更新。
通過以上流程，我們可以實現鍵盤輸入的響應和字元的顯示。這是一個簡單的鍵盤輸入過程，實際上還需要考慮更多的細節和處理邏輯，但以上流程可以幫助我們初步理解鍵盤輸入的處理過程。
設備控制器
我們的電腦設備可以連接各種不同的輸入輸出設備，如鍵盤、滑鼠、顯示器、網卡、硬碟、印表機和音響等。每個設備都有不同的使用方式和功能，但操作系統需要統一管理這些設備。
為了減輕CPU的負擔，每個外設都配備了一個專門的設備控制器，其實也跟應用程式就不需要直接與底層設備進行交互一樣。設備控制器位於操作系統與硬體之間的中間層，負責處理外設硬體與CPU之間的通信和操作。
為了屏蔽設備之間的差異，每個設備都配備了對應的設備控制器（Device Control）組件。例如，硬碟有硬碟控制器，顯示器有視頻控制器等。這些設備控制器通過與操作系統進行交互，將外設的功能和狀態信息傳遞給操作系統，並接收來自操作系統的指令來控制設備的運行。
操作系統利用設備控制器提供的介面和功能來管理和控制不同的設備。通過操作系統提供的設備驅動程式，應用程式可以通過操作系統進行與設備的交互。設備驅動程式負責與設備控制器通信，並將數據傳遞給相應的設備。例如，鍵盤驅動程式負責讀取鍵盤設備控制器中的掃描碼，並將其轉換為對應的ASCII碼，然後傳遞給應用程式。
設備控制器內部包含晶元，這些晶元具有自己的邏輯功能，並且擁有與CPU進行通信的寄存器。這些寄存器包括狀態寄存器（Status Register）、命令寄存器（Command Register）以及數據寄存器（Data Register）。
通過操作系統向這些寄存器寫入命令，可以指示設備執行發送數據、接收數據、開啟或關閉等操作。通過讀取這些寄存器，操作系統可以獲取設備的狀態信息，例如設備是否準備好接收新的命令等，如下圖：
具體而言，命令寄存器用於向設備發送命令，告知設備進行輸入/輸出操作。當命令被接收後，設備開始執行對應的任務，併在任務完成後將狀態寄存器中的狀態標記為完成。
狀態寄存器的作用是向CPU傳遞設備的工作狀態，以告知CPU設備當前是否正在工作或已經完成工作。如果設備處於工作狀態，CPU再次發送數據或命令是沒有意義的，直到前面的工作完成，狀態寄存器將狀態標記為已完成，CPU才能發送下一個字元或命令。
數據寄存器用於CPU向I/O設備寫入需要傳輸的數據。例如，如果要列印內容為"Hello"，CPU首先向對應的I/O設備發送一個'H'字元。
通過讀寫設備控制器中的寄存器，CPU能夠方便地控制設備。相比於CPU直接控制輸入輸出設備，這種方式更加便捷和標準化。
另外，設備控制器還可以根據設備的特性將輸入輸出設備分為兩大類：塊設備（Block Device）和字元設備（Character Device）。
塊設備將數據存儲在固定大小的塊中，每個塊都有自己的地址。常見的塊設備有硬碟、USB等。而字元設備則以字元為單位發送或接收字元流，它們是不可定址的，也沒有尋道操作。滑鼠就是一個典型的字元設備。
由於塊設備通常傳輸的數據量較大，因此設備控制器設立了一個可讀寫的數據緩衝區。當CPU向控制器的緩衝區寫入數據時，只有當緩衝區中的數據達到一定程度時，才會發送給設備。而當CPU從控制器的緩衝區讀取數據時，也需要等待緩衝區中的數據達到一定程度後，才能將數據拷貝到記憶體中。這樣做的目的是為了減少對設備的操作次數，提高數據傳輸的效率。
那麼，CPU是如何與設備的控制寄存器和數據緩衝區進行通信的呢？這裡存在兩種方法：
一種是通過埠 I/O方式，每個設備的控制寄存器都被分配了一個獨立的I/O埠。CPU可以通過特殊的彙編指令（如in/out指令）來操作這些寄存器，實現與設備的通信。
另一種是通過記憶體映射 I/O方式，將所有設備的控制寄存器映射到記憶體空間中。這樣，CPU就可以像讀寫記憶體一樣，直接讀寫設備的控制寄存器和數據緩衝區。這種方式相對於埠 I/O方式來說，更加靈活和方便。
總結
鍵盤輸入的處理過程包括鍵盤設備控制器將掃描碼存儲、中斷請求發送給CPU、中斷處理程式將掃描碼轉換為ASCII碼並存儲在鍵盤緩衝區、鍵盤驅動程式讀取緩衝區的掃描碼並傳遞給應用程式，最後顯示驅動程式控制顯示器顯示字元和更新屏幕圖像。
設備控制器位於操作系統與硬體之間的中間層，負責處理外設硬體與CPU之間的通信和操作。它通過與操作系統進行交互，將外設的功能和狀態信息傳遞給操作系統，並接收來自操作系統的指令來控制設備的運行。
設備控制器內部包含有自己的邏輯功能和與CPU通信的寄存器，例如狀態寄存器、命令寄存器和數據寄存器。通過操作系統向這些寄存器寫入命令，可以指示設備執行相應的輸入/輸出操作，通過讀取這些寄存器，操作系統可以獲取設備的狀態信息。
通過本文的介紹，我們可以初步瞭解鍵盤輸入的處理過程和設備控制器的作用，從而更好地理解操作系統與硬體之間的交互過程。
