操作系统真象还原第10章：输入输出系统_操作系统真象还原10

同步机制-----锁

这里是利用信号量来作为同步机制的，其中down操作来获取锁，up操作来释放锁，对于锁主要是为了同步那些具有竞争关系的进程或者线程。

代码

sync.h

#ifndef __THREAD_SYNC_H
#define __THREAD_SYNC_H
#include "../lib/kernel/list.h"
#include "../lib/stdint.h"
#include "thread.h"

/* 信号量结构 */
struct semaphore {
   uint8_t  value;
   struct   list waiters;
};

/* 锁结构 */
struct lock {
   struct   task_struct* holder;	    // 锁的持有者
   struct   semaphore semaphore;	    // 用二元信号量实现锁
   uint32_t holder_repeat_nr;		    // 锁的持有者重复申请锁的次数
};

void sema_init(struct semaphore* psema, uint8_t value); 
void sema_down(struct semaphore* psema);
void sema_up(struct semaphore* psema);
void lock_init(struct lock* plock);
void lock_acquire(struct lock* plock);
void lock_release(struct lock* plock);
#endif

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sync.c

#include "sync.h"
#include "../lib/kernel/list.h"
#include "../kernel/global.h"
#include "../kernel/debug.h"
#include "../kernel/interrupt.h"

/* 初始化信号量 */
void sema_init(struct semaphore* psema, uint8_t value) {
   psema->value = value;       // 为信号量赋初值
   list_init(&psema->waiters); //初始化信号量的等待队列
}

/* 初始化锁plock */
void lock_init(struct lock* plock) {
   plock->holder = NULL;
   plock->holder_repeat_nr = 0;
   sema_init(&plock->semaphore, 1);  // 信号量初值为1
}

/* 信号量down操作 */
void sema_down(struct semaphore* psema) {
/* 关中断来保证原子操作 */
   enum intr_status old_status = intr_disable();
   while(psema->value == 0) {	// 若value为0,表示已经被别人持有
      ASSERT(!elem_find(&psema->waiters, &running_thread()->general_tag));
      /* 当前线程不应该已在信号量的waiters队列中 */
      if (elem_find(&psema->waiters, &running_thread()->general_tag)) {
	       PANIC("sema_down: thread blocked has been in waiters_list\n");
      }
/* 若信号量的值等于0,则当前线程把自己加入该锁的等待队列,然后阻塞自己 */
      list_append(&psema->waiters, &running_thread()->general_tag); 
      thread_block(TASK_BLOCKED);    // 阻塞线程,直到被唤醒
   }
/* 若value为1或被唤醒后,会执行下面的代码,也就是获得了锁。*/
   psema->value--;
   ASSERT(psema->value == 0);	    
/* 恢复之前的中断状态 */
   intr_set_status(old_status);
}

/* 信号量的up操作 */
void sema_up(struct semaphore* psema) {
/* 关中断,保证原子操作 */
   enum intr_status old_status = intr_disable();
   ASSERT(psema->value == 0);	    
   if (!list_empty(&psema->waiters)) {
      struct task_struct* thread_blocked = elem2entry(struct task_struct, general_tag, list_pop(&psema->waiters));
      thread_unblock(thread_blocked);
   }
   psema->value++;
   ASSERT(psema->value == 1);	    
/* 恢复之前的中断状态 */
   intr_set_status(old_status);
}

/* 获取锁plock */
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);    // 对信号量P操作,原子操作
      plock->holder = running_thread();
      ASSERT(plock->holder_repeat_nr == 0);
      plock->holder_repeat_nr = 1;
   } else {
      plock->holder_repeat_nr++;
   }
}

/* 释放锁plock */
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;	   // 把锁的持有者置空放在V操作之前
   plock->holder_repeat_nr = 0;
   sema_up(&plock->semaphore);	   // 信号量的V操作,也是原子操作
}

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从键盘获取输入

从键盘获取主要是利用键盘中有个键盘编码器，然后键盘编码器会发送信号给键盘控制器来通知哪个键盘被按下，哪个键盘弹起了
当你按下键盘或者弹起键盘时，键盘编码器8084会把其通码（按下），断码（弹起）发送给键盘控制器，之后键盘控制器会发送给可编码中断控制器，然后产生键盘中断，由中断处理函数来处理发送过来的编码。可通过编码与字符映射，输出这些字符便可以在显示器上显示字符了。

代码

keyboard.c

#include "keyboard.h"
#include "../kernel/interrupt.h"
#include "../lib/kernel/print.h"
#include "../lib/kernel/io.h"
#include "../kernel/global.h"

#define KBD_BUF_PORT 0x60	 // 键盘buffer寄存器端口号为0x60

/* 用转义字符定义部分控制字符 */
#define esc		'\033'	 // 八进制表示字符,也可以用十六进制'\x1b'
#define backspace	'\b'
#define tab		'\t'
#define enter		'\r'
#define delete		'\177'	 // 八进制表示字符,十六进制为'\x7f'

/* 以上不可见字符一律定义为0 */
#define char_invisible	0
#define ctrl_l_char	char_invisible
#define ctrl_r_char	char_invisible
#define shift_l_char	char_invisible
#define shift_r_char	char_invisible
#define alt_l_char	char_invisible
#define alt_r_char	char_invisible
#define caps_lock_char	char_invisible

/* 定义控制字符的通码和断码 */
#define shift_l_make	0x2a
#define shift_r_make 	0x36 
#define alt_l_make   	0x38
#define alt_r_make   	0xe038
#define alt_r_break   	0xe0b8
#define ctrl_l_make  	0x1d
#define ctrl_r_make  	0xe01d
#define ctrl_r_break 	0xe09d
#define caps_lock_make 	0x3a

/* 定义以下变量记录相应键是否按下的状态,
 * ext_scancode用于记录makecode是否以0xe0开头 */
static bool ctrl_status, shift_status, alt_status, caps_lock_status, ext_scancode;

/* 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*/
};

/* 键盘中断处理程序 */
static void intr_keyboard_handler(void) {

/* 这次中断发生前的上一次中断,以下任意三个键是否有按下 */
   bool ctrl_down_last = ctrl_status;	  
   bool shift_down_last = shift_status;
   bool caps_lock_last = caps_lock_status;

   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个扫描码,
 * 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
   
   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,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");
   }
}

/* 键盘初始化 */
void keyboard_init() {
   put_str("keyboard init start\n");
   register_handler(0x21, intr_keyboard_handler);
   put_str("keyboard init done\n");
}


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#define __LIB_KEYBOARD_H
#include "../lib/stdint.h"
void keyboard_init(void);
#endif
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