操作系統 4.1-I/O與顯示器

外設工作起來

操作系統讓外設工作的基本原理和過程，具體來說，它概括了以下幾個關鍵步驟：

發出指令：操作系統通過向控制器中的寄存器發送指令來啟動外設的工作。這些指令通常是通過I/O指令（如out指令）來實現的。
控制器處理：控制器接收到指令后，根據寄存器中的內容來操控硬件。控制器內部可能包含有計算電路，能夠根據CPU發出的指令來具體操作設備。
中斷處理：一旦外設完成其任務，它會向CPU發送一個中斷信號。CPU接收到中斷后，會暫停當前的工作，轉而處理中斷，這可能涉及到數據傳輸等操作。
統一的文件接口：為了讓外設的使用變得簡單，操作系統提供了一種統一的視圖，即文件視圖。這意味著，無論操作哪種外設，用戶都可以通過統一的文件操作接口（如open、read、write等）來進行。

總結來說，操作系統讓外設工作的核心原理非常簡單，即通過發出指令讓外設工作，然后編寫中斷處理程序來響應外設完成任務后的中斷信號。此外，操作系統通過提供統一的文件接口，使得用戶可以方便地使用各種外設，而無需關心底層的硬件細節。接下來我們將圍繞這三個方面講解。

外設工作的開始

提取的代碼如下：

int fd = open("/dev/xxx");
for (int i = 0; i < 10; i++) {write(fd, i, sizeof(int));
}
close(fd);

外設工作的開始可以總結為以下幾個步驟：

打開設備：
- 使用open函數打開指定的設備文件（/dev/xxx），這個文件是系統中外設的接口。
- open函數返回一個文件描述符fd，用于后續對該設備的操作。
數據傳輸：
- 通過write函數將數據傳輸到外設。在這個例子中，數據是一個整數i，大小為sizeof(int)。
- 這個過程在一個循環中進行，循環10次，每次寫入一個整數。
關閉設備：
- 完成數據傳輸后，使用close函數關閉設備文件，釋放文件描述符fd所占用的資源。

文件視圖概念

文件視圖是操作系統提供的兩大視圖之一，它將所有的I/O設備統一抽象為文件，使得用戶可以通過一組標準的文件操作接口（如open、read、write、close）來訪問和操作這些設備。這種抽象極大地簡化了用戶與硬件設備的交互，并隱藏了底層硬件的具體細節。

在文件視圖中，操作系統將設備屬性數據和設備驅動程序結合在一起，通過系統調用接口與用戶空間進行交互。當用戶程序調用這些系統調用時，操作系統會進行解釋，并將其轉換為對特定設備的命令。這些命令隨后被發送到相應的設備控制器（如鍵盤控制器或磁盤控制器），并由控制器執行具體的硬件操作。

文件視圖的樣貌可以總結如下：

統一接口：無論什么設備，用戶都通過統一的系統調用接口（open、read、write、close）來進行操作。
設備抽象：不同的設備對應不同的設備文件（如/dev/xxx），操作系統根據這些設備文件找到控制器的地址、內容格式等信息。
設備驅動：設備驅動程序是操作系統與硬件設備之間的橋梁，它負責將系統調用轉換為對特定硬件的操作。
中斷處理：當設備完成操作后，會通過中斷機制通知操作系統，操作系統再進行相應的中斷處理。
I/O系統：操作系統中的I/O系統負責管理設備屬性數據和設備驅動程序，協調用戶程序與硬件設備之間的交互。

通過這種文件視圖，操作系統為用戶提供了一個簡單、統一的方式來操縱外設，同時隱藏了底層硬件操作的復雜性。這種抽象不僅簡化了用戶程序的開發，還提高了系統的可移植性和可擴展性。

代碼思路講解

提取的代碼如下：

int sys_write(unsigned int fd, char *buf, int count) {struct file* file;file = current->filp[fd]; ?// fd是找到file的索引inode = file->f_inode; ? ? // file的目的是得到inode
}

總結顯示器輸出的過程：

系統調用：
- 用戶程序通過printf函數輸出信息，printf函數內部會先創建一個緩存區（buf），將格式化后的輸出寫入該緩存區。
寫入系統調用：
- printf函數最終會調用write系統調用，將緩存區中的數據寫入指定的文件描述符（fd）。
文件描述符索引：
- 在Linux內核中，sys_write函數通過文件描述符（fd）找到對應的文件結構體（file）。文件描述符是用戶空間和內核空間之間的索引。
獲取inode：
- 從文件結構體中獲取inode結構體，inode包含了文件的元數據和設備信息。對于設備文件（如顯示器），inode中包含了設備驅動的相關信息。

wirte->filp

提取的代碼如下：

int copy_process(...){*p = *current;for (i = 0; i < NR_OPEN; i++)if ((f = p->filp[i])) f->f_count++;
}
?
void main(void) {if (!fork()) { init(); }
}
?
void init(void) {open("/dev/tty0", O_RDWR, 0);dup(0);dup(0);execve("/bin/sh", argv, envp);
}

fd=1的filp從哪里來？

在UNIX和Linux系統中，當一個進程創建一個新的子進程時（通常是通過fork系統調用），子進程會繼承父進程的文件描述符。這意味著子進程會擁有與父進程相同的文件描述符集合，包括指向相同文件結構（struct file）的指針。

在提供的代碼中，copy_process函數負責復制父進程的文件描述符信息到子進程。這是通過遍歷父進程的filp數組（每個元素都是指向struct file的指針）并遞增相應文件結構的引用計數來實現的。這樣做確保了文件在兩個進程間正確共享。

在main函數中，通過調用fork創建了一個新的子進程。如果fork返回0（表示這是子進程），則調用init函數。在init函數中，首先打開/dev/tty0（通常是控制臺設備），然后使用dup(0)將標準輸入、輸出和錯誤都重定向到這個控制臺設備。最后，通過execve調用替換當前進程映像為/bin/sh（shell），從而啟動一個新的shell進程。

因此，fd=1（通常用于標準輸出）的filp指針是從父進程繼承來的，并且在子進程中通過dup(0)調用被重定向到/dev/tty0設備。這樣，當shell進程寫入標準輸出時，數據會被發送到控制臺設備。

filp->open

提取的代碼如下：

int sys_open(const char* filename, int flag) {i = open_namei(filename, flag, &inode);current->filp[fd] = f; // 第一個空閑的fdf->f_mode = inode->i_mode;f->f_inode = inode;f->f_count = 1;return fd;
}

open系統調用完成了什么？

open系統調用主要完成了以下步驟：

解析目錄，找到inode：系統需要解析傳入的文件名，找到對應的inode結構，inode包含了文件的元數據和設備信息。
分配文件描述符（fd）：在進程的文件描述符數組（filp）中找到一個空閑的文件描述符，并將其分配給這個文件。
建立文件結構體（file）：創建一個文件結構體（file），該結構體包含了文件的狀態信息，如文件模式（f_mode）和指向inode的指針（f_inode）。

開始輸出

提取的代碼如下：

// sys_write function in linux/fs/read_write.c
int sys_write(unsigned int fd, char *buf, int cnt) {inode = file->f_inode;if (S_ISCHR(inode->i_mode))return rw_char(WRITE, inode->i_zone[0], buf, cnt);...
}
?
// rw_char function in linux/fs/char_dev.c
int rw_char(int rw, int dev, char *buf, int cnt) {crw_ptr call_addr = crw_table[MAJOR(dev)];call_addr(rw, dev, buf, cnt);...
}

系統調用：用戶程序通過 write 系統調用向內核請求寫操作，傳遞文件描述符（fd）、緩沖區地址（buf）和要寫入的字節數（cnt）。
字符設備檢查：在 sys_write 函數中，首先獲取文件結構體的inode，并檢查該inode表示的是否為字符設備（通過 S_ISCHR(inode->i_mode) 判斷）。
調用設備驅動：如果是字符設備，調用 rw_char 函數，傳入寫操作標志（WRITE）、inode中的設備信息（i_zone[0]）、緩沖區地址和字節數。
設備驅動操作：在 rw_char 函數中，根據設備的主要號碼（MAJOR(dev)）從字符設備驅動表（crw_table）中獲取對應的操作函數指針，并調用該函數執行實際的寫操作。
輸出到屏幕：對于顯示器這樣的字符設備，rw_char 函數最終會調用顯示器的驅動函數，將緩沖區中的數據寫入顯示器的顯存，實現向屏幕的輸出。

這個過程展示了從用戶空間的 printf 調用開始，經過系統調用接口，到內核空間的文件操作，再到設備驅動程序，最終實現數據向硬件設備的輸出。這是操作系統中I/O系統工作的一個典型流程。

rw_char->crw_table

提取的代碼如下：

// 定義字符設備操作函數指針數組
static crw_ptr crw_table[] = {..., rw_ttyx, ...};
?
// 函數指針類型定義
typedef (*crw_ptr)(int rw, unsigned minor, char *buf, int count);
?
// 字符設備讀寫函數
static int rw_ttyx(int rw, unsigned minor, char *buf, int count) {return ((rw == READ) ? tty_read(minor, buf) : tty_write(minor, buf));
}
?
// 真正的寫函數
int tty_write(unsigned channel, char *buf, int nr) {struct tty_struct *tty;tty = channel + tty_table;sleep_if_full(&tty->write_q);...
}

總結代碼所做的事情及用途：

定義字符設備操作函數指針數組（crw_table）：
- crw_table 是一個數組，包含了指向不同字符設備操作函數的指針。這些函數負責對字符設備進行讀寫操作。
函數指針類型定義（crw_ptr）：
- crw_ptr 是一個函數指針類型，用于指向符合特定簽名的函數，即接受讀寫標志、次要設備號、緩沖區指針和計數作為參數的函數。
字符設備讀寫函數（rw_ttyx）：
- rw_ttyx 函數根據傳入的讀寫標志（rw），決定調用 tty_read 還是 tty_write 函數。這個函數作為字符設備的通用入口點，根據操作類型分發到具體的讀寫處理函數。
真正的寫函數（tty_write）：
- tty_write 是實現字符設備（如終端）寫操作的核心函數。它負責將數據從內核緩沖區寫入到設備。
- 函數首先通過 channel 和 tty_table 獲取到 tty_struct 結構體，該結構體包含了終端設備的相關信息和狀態。
- 然后檢查輸出隊列（write_q）是否已滿，如果已滿，則調用 sleep_if_full 函數使進程休眠，等待隊列有空間。
- 一旦隊列有空間，數據就被寫入隊列，后續操作（可能是中斷處理程序）會負責將隊列中的數據實際輸出到設備。

crw_table->tty_write

提取的代碼如下：

// 在 linux/kernel/tty_io.c 中的 tty_write 函數
int tty_write(unsigned channel, char *buf, int nr) {char c, *b = buf;while (nr > 0 && !FULL(tty->write_q)) {c = get_fs_byte(b); // 從用戶緩存區讀if (c == '\r') { PUTCH(13, tty->write_q); continue; }if (O_LCUC(tty)) c = toupper(c);b++; nr--;PUTCH(c, tty->write_q);} // 輸出完事或寫隊列滿tty->write(tty);
}

總結代碼所做的事情及用途：

初始化：
- 定義字符變量 c 和字符指針 b 指向緩沖區 buf 的起始位置。
循環處理每個字符：
- 使用 while 循環，當還有字符要寫入（nr > 0）且寫隊列未滿（!FULL(tty->write_q)）時，繼續處理。
- 從用戶空間的緩沖區中讀取一個字符到 c。
處理回車字符：
- 如果字符是回車符（'\r'），將其轉換為換行符（'\n'）并繼續下一個循環。
字符大小寫轉換：
- 如果終端設置為轉換為大寫（O_LCUC(tty)），將字符 c 轉換為大寫。
寫入隊列：
- 將處理后的字符放入終端的寫隊列 tty->write_q 中。
- 更新緩沖區指針 b 和字符計數 nr。
觸發實際寫操作：
- 一旦所有字符都已處理或寫隊列滿，調用 tty->write(tty) 觸發實際的寫操作，將隊列中的數據輸出到屏幕上。

提取的代碼如下：

// 在 include/linux/tty.h 中定義的 tty_struct 結構體
struct tty_struct {void (*write)(struct tty_struct *tty);struct tty_queue read_q, write_q;
};
?
// tty_struct 結構體數組的初始化
struct tty_struct tty_table[] = {{con_write, {0,0,0,0,""}, {0,0,0,0,""}},{}, ...
};
?
// con_write 函數在 linux/kernel/chr_drv/console.c 中的定義
void con_write(struct tty_struct *tty) {GETCH(tty->write_q, c);if (c > 31 && c < 127) {__asm__ ("movb _attr, %%ah\n\t""movw %%ax, %1\n\t::" "a"(c),"m"(*(short*)pos):"ax");pos += 2;}
}

con_write 函數是 Linux 內核中負責將字符輸出到控制臺顯示器的關鍵函數。它通過直接操作顯存來實現字符的顯示，這是 Linux 內核中實現控制臺輸出的底層機制。
通過這種方式，內核可以將用戶程序的輸出（如通過 printf 函數）轉換為屏幕上的可見字符，實現用戶與系統的交互。

總結代碼所做的事情及用途：
con_write 函數定義：
1. 如果字符 c 在可打印范圍內（ASCII碼 32 到 126），則通過內聯匯編代碼將其寫入顯存（視頻內存）的特定位置。
2. 函數從 tty->write_q 隊列中獲取一個字符 c。
3. con_write 函數是 tty_struct 結構體中的 write 函數指針所指向的實際函數，負責將字符寫入顯示器。

tty_write->mov pos

這兩張圖片提供了關于如何在Linux內核中實現向屏幕輸出字符的詳細信息。以下是提取的代碼和總結：

提取的代碼：
```
// 在 include/linux/tty.h 中定義的 tty_struct 結構體
struct tty_struct {void (*write)(struct tty_struct *tty);struct tty_queue read_q, write_q;
};
?
// tty_struct 結構體數組的初始化
struct tty_struct tty_table[] = {{con_write, {0,0,0,0,""}, {0,0,0,0,""}}, {}, ...
};
?
// con_write 函數在 linux/kernel/chr_drv/console.c 中的定義
void con_write(struct tty_struct *tty) {GETCH(tty->write_q, c);if (c > 31 && c < 127) {__asm__ ("movb _attr, %%ah\n\t""movw %%ax, %1\n\t"::"a"(c),"m"(*(short*)pos):"ax");pos += 2;}
}
```
總結代碼的作用：

用途：
- con_write 函數是 Linux 內核中負責將字符輸出到控制臺顯示器的關鍵函數。它通過直接操作顯存來實現字符的顯示，這是 Linux 內核中實現控制臺輸出的底層機制。
- 通過這種方式，操作系統能夠統一管理不同程序的輸出，提供一致的接口給用戶程序，同時隱藏了硬件操作的復雜性。
- 這種機制是操作系統中設備驅動程序的一部分，它展示了如何通過編程接口與硬件設備進行交互，是學習操作系統工作原理和設備驅動開發的重要內容。
關于 mov pos 的解釋：
- mov pos, c 是完成顯示中最核心的秘密，它將字符 c 的值移動到 pos 指向的顯存位置，從而在屏幕上顯示字符。
- pos 指向顯存的起始地址（例如 0xA0000），每次寫入一個字符后，pos 的值會增加，以指向下一個字符的位置。
- 這種直接操作顯存的方法是早期計算機系統中常見的屏幕輸出方式，它允許操作系統直接控制屏幕上的每個像素點。
關于 pos += 2 的解釋：
- 在彩色圖形適配器（CGA）中，屏幕上的一個字符在顯存中除了字符本身還應該有字符的屬性（如顏色等）。因此，每個字符及其屬性占用兩個字節。
- pos += 2 表示在寫入一個字符后，pos 的值增加2，以指向下一個字符及其屬性的起始位置。
- 這種機制確保了字符及其屬性能夠正確地存儲在顯存中，從而在屏幕上正確顯示。