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第16回 | 按下键盘后为什么屏幕上就会有输出
新读者看这里，老读者直接跳过。
本系列会以一个读小说的心态，从开机启动后的代码执行顺序，带着大家阅读和赏析 Linux 0.11 全部核心代码，了解操作系统的技术细节和设计思想。
你会跟着我一起，看着一个操作系统从啥都没有开始，一步一步最终实现它复杂又精巧的设计，读完这个系列后希望你能发出感叹，原来操作系统源码就是这破玩意。
以下是已发布文章的列表，详细了解本系列可以先从开篇词看起。
第一部分 进入内核前的苦力活
第二部分 大战前期的初始化工作
本系列的 GitHub 地址如下（文末阅读原文可直接跳转）
https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk
------- 正文开始 -------
我们继续往下看，tty_init。
void main(void) {
...
mem_init(main_memory_start,memory_end);
trap_init();
blk_dev_init();
chr_dev_init();
tty_init();
time_init();
sched_init();
buffer_init(buffer_memory_end);
hd_init();
floppy_init();
sti();
move_to_user_mode();
if (!fork()) {init();}
for(;;) pause();
}
这个方法执行完成之后，我们将会具备键盘输入到显示器输出字符这个最常用的功能。打开这个函数后我有点慌。
void tty_init(void)
{
rs_init();
con_init();
}
看来这个方法已经多到需要拆成两个子方法了。打开第一个方法，还好。
void rs_init(void)
{
set_intr_gate(0x24,rs1_interrupt);
set_intr_gate(0x23,rs2_interrupt);
init(tty_table[1].read_q.data);
init(tty_table[2].read_q.data);
outb(inb_p(0x21)&0xE7,0x21);
}
这个方法是串口中断的开启，以及设置对应的中断处理程序，串口在我们现在的 PC 机上已经很少用到了，所以这个直接忽略，要讲我也不懂。看第二个方法，这是重点。代码非常长，有点吓人，我先把大体框架写出。
void con_init(void) {
...
if (ORIG_VIDEO_MODE == 7) {
...
if ((ORIG_VIDEO_EGA_BX & 0xff) != 0x10) {...}
else {...}
} else {
...
if ((ORIG_VIDEO_EGA_BX & 0xff) != 0x10) {...}
else {...}
}
...
}
可以看出，非常多的 if else。这是为了应对不同的显示模式，来分配不同的变量值，那如果我们仅仅找出一个显示模式，这些分支就可以只看一个了。 啥是显示模式呢？那我们得简单说说显示，一个字符是如何显示在屏幕上的呢？换句话说，如果你可以随意操作内存和 CPU 等设备，你如何操作才能使得你的显示器上，显示一个字符‘a’呢？
我们先看一张图。
没错，就是这么简单。 如果我们写这一行汇编语句。
mov [0xB8000],'h'
后面那个 h 相当于汇编编辑器帮我们转换成 ASCII 码的二进制数值，当然我们也可以直接写。mov [0xB8000],0x68
其实就是往内存中 0xB8000 这个位置写了一个值，只要一写，屏幕上就会是这样。 mov [0xB8000],'h'
mov [0xB8002],'e'
mov [0xB8004],'l'
mov [0xB8006],'l'
mov [0xB8008],'o'
此时屏幕上就会是这样。 #define ORIG_X (*(unsigned char *)0x90000)
#define ORIG_Y (*(unsigned char *)0x90001)
void con_init(void) {
register unsigned char a;
// 第一部分 获取显示模式相关信息
video_num_columns = (((*(unsigned short *)0x90006) & 0xff00) >> 8);
video_size_row = video_num_columns * 2;
video_num_lines = 25;
video_page = (*(unsigned short *)0x90004);
video_erase_char = 0x0720;
// 第二部分 显存映射的内存区域
video_mem_start = 0xb8000;
video_port_reg = 0x3d4;
video_port_val = 0x3d5;
video_mem_end = 0xba000;
// 第三部分 滚动屏幕操作时的信息
origin = video_mem_start;
scr_end = video_mem_start + video_num_lines * video_size_row;
top = 0;
bottom = video_num_lines;
// 第四部分 定位光标并开启键盘中断
gotoxy(ORIG_X, ORIG_Y);
set_trap_gate(0x21,&keyboard_interrupt);
outb_p(inb_p(0x21)&0xfd,0x21);
a=inb_p(0x61);
outb_p(a|0x80,0x61);
outb(a,0x61);
}
别看这么多，一点都不难。 首先还记不记得之前汇编语言的时候做的工作，存了好多以后要用的数据在内存中。就在 第五回 | 进入保护模式前的最后一次折腾内存 | 内存地址 | 长度(字节) | 名称 |
|---|---|---|
| 0x90000 | 2 | 光标位置 |
| 0x90002 | 2 | 扩展内存数 |
| 0x90004 | 2 | 显示页面 |
| 0x90006 | 1 | 显示模式 |
| 0x90007 | 1 | 字符列数 |
| 0x90008 | 2 | 未知 |
| 0x9000A | 1 | 显示内存 |
| 0x9000B | 1 | 显示状态 |
| 0x9000C | 2 | 显卡特性参数 |
| 0x9000E | 1 | 屏幕行数 |
| 0x9000F | 1 | 屏幕列数 |
| 0x90080 | 16 | 硬盘1参数表 |
| 0x90090 | 16 | 硬盘2参数表 |
| 0x901FC | 2 | 根设备号 |
所以，第一部分获取 0x90006 地址处的数据，就是获取显示模式等相关信息。 第二部分就是显存映射的内存地址范围，我们现在假设是 CGA 类型的文本模式，所以映射的内存是从 0xB8000 到 0xBA000。 第三部分是设置一些滚动屏幕时需要的参数，定义顶行和底行是哪里，这里顶行就是第一行，底行就是最后一行，很合理。 第四部分是把光标定位到之前保存的光标位置处（取内存地址 0x90000 处的数据），然后设置并开启键盘中断。
开启键盘中断后，键盘上敲击一个按键后就会触发中断，中断程序就会读键盘码转换成 ASCII 码，然后写到光标处的内存地址，也就相当于往显存写，于是这个键盘敲击的字符就显示在了屏幕上。
1. 我们现在根据已有信息已经可以实现往屏幕上的任意位置写字符了，而且还能指定颜色。
2. 并且，我们也能接受键盘中断，根据键盘码中断处理程序就可以得知哪个键按下了。
有了这俩功能，那我们想干嘛还不是为所欲为？
好，接下来我们看看代码是怎么处理的，很简单。一切的起点，就是第四步的 gotoxy 函数，定位当前光标。
#define ORIG_X (*(unsigned char *)0x90000)
#define ORIG_Y (*(unsigned char *)0x90001)
void con_init(void) {
...
// 第四部分 定位光标并开启键盘中断
gotoxy(ORIG_X, ORIG_Y);
...
}
这里面干嘛了呢？static inline void gotoxy(unsigned int new_x,unsigned int new_y) {
...
x = new_x;
y = new_y;
pos = origin + y*video_size_row + (x<<1);
}
就是给 x y pos 这三个参数附上了值。其中 x 表示光标在哪一列，y 表示光标在哪一行，pos 表示根据列号和行号计算出来的内存指针，也就是往这个 pos 指向的地址处写数据，就相当于往控制台的 x 列 y 行处写入字符了，简单吧？
然后，当你按下键盘后，触发键盘中断，之后的程序调用链是这样的。
_keyboard_interrupt:
...
call _do_tty_interrupt
...
void do_tty_interrupt(int tty) {
copy_to_cooked(tty_table+tty);
}
void copy_to_cooked(struct tty_struct * tty) {
...
tty->write(tty);
...
}
// 控制台时 tty 的 write 为 con_write 函数
void con_write(struct tty_struct * tty) {
...
__asm__("movb _attr,%%ah\n\t"
"movw %%ax,%1\n\t"
::"a" (c),"m" (*(short *)pos)
:"ax");
pos += 2;
x++;
...
}
前面的过程不用管，我们看最后一个函数 con_write 中的关键代码。__asm__ 内联汇编，就是把键盘输入的字符 c 写入 pos 指针指向的内存，相当于往屏幕输出了。
之后两行 pos+=2 和 x++，就是调整所谓的光标。
你看，写入一个字符，最底层，其实就是往内存的某处写个数据，然后顺便调整一下光标。
由此我们也可以看出，光标的本质，其实就是这里的 x y pos 这仨变量而已。
我们还可以做换行效果，当发现光标位置处于某一行的结尾时（这个应该很好算吧，我们都知道屏幕上一共有几行几列了），就把光标计算出一个新值，让其处于下一行的开头。
void con_write(struct tty_struct * tty) {
...
if (x>=video_num_columns) {
x -= video_num_columns;
pos -= video_size_row;
lf();
}
...
}
static void lf(void) {
if (y+1<bottom) {
y++;
pos += video_size_row;
return;
}
...
}
相似的，我们还可以实现滚屏的效果，无非就是当检测到光标已经出现在最后一行最后一列了，那就把每一行的字符，都复制到它上一行，其实就是算好哪些内存地址上的值，拷贝到哪些内存地址，就好了。这里大家自己看源码寻找。 所以，有了这个初始化工作，我们就可以利用这些信息，弄几个小算法，实现各种我们常见控制台的操作。
或者换句话说，我们见惯不怪的控制台，回车、换行、删除、滚屏、清屏等操作，其实底层都要实现相应的代码的。 所以 console.c 中的其他方法就是做这个事的，我们就不展开每一个功能的方法体了，简单看看有哪些方法。
// 定位光标的
static inline void gotoxy(unsigned int new_x, unsigned int new_y){}
// 滚屏，即内容向上滚动一行
static void scrup(void){}
// 光标同列位置下移一行
static void lf(int currcons){}
// 光标回到第一列
static void cr(void){}
...
// 删除一行
static void delete_line(void){}
内容繁多，但没什么难度，只要理解了基本原理即可了。OK，整个 console.c 就讲完了，要知道这个文件可是整个内核中代码量最大的文件，可是功能特别单一，也都很简单，主要是处理键盘各种不同的按键，需要写好多 switch case 等语句，十分麻烦，我们这里就完全没必要去展开了，就是个苦力活。 到这里，我们就正式讲完了 tty_init 的作用。
在此之后，内核代码就可以用它来方便地在控制台输出字符啦！这在之后内核想要在启动过程中告诉用户一些信息，以及后面内核完全建立起来之后，由用户用 shell 进行操作时手动输入命令，都是可以用到这里的代码的！ 让我们继续向前进发，看下一个被初始化的倒霉鬼是什么东东。 欲知后事如何，且听下回分解。
------- 关于本系列 -------
本系列的开篇词看这
本系列的扩展资料看这（也可点击阅读原文），这里有很多有趣的资料、答疑、互动参与项目，持续更新中，希望有你的参与。
https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk
本系列全局视角
最后，祝大家都能追更到系列结束，只要你敢持续追更，并且把每一回的内容搞懂，我就敢让你在系列结束后说一句，我对 Linux 0.11 很熟悉。
公众号更新系列文章不易，阅读量越来越低，希望大家多多传播，不方便的话点个小小的赞我也会很开心，谢谢大家咯。
另外，本系列完全免费，希望大家能多多传播给同样喜欢的人，同时给我的 GitHub 项目点个 star，就在阅读原文处，这些就足够让我坚持写下去了！我们下回见。