1.概述

键盘操作涉及两个独立的芯片配合

键盘是个独立的设备，内部有个芯片叫键盘编码器，通常是 Intel 8048 或兼容芯片，用于当键盘上发送按键操作后，向键盘控制器报告哪个键被按下，或被弹起

键盘控制器位于主板内部，通常是 Intel 8042 或兼容芯片，用于将键盘编码器发送过来的编码进行解码，解码后保存发给中断代理发中断，之后处理器执行相应的中断处理程序读入8042处理保存过的按键信息。

8048是键盘上的芯片，其主要责任就是监控哪个键被按下。当键盘上发生按键操作时，8048要将按键信息传给8042。

所有按键都对应一个数值，叫键盘扫描码。

一个按键有两种状态，也就有两个码：

• 按键处于按下状态，叫通码，如果按住不松手的情况下，会持续产生通码
• 按键被松开弹起时产生的编码叫断码。

一个键的扫描码由通码和断码组成

无论是按下键，或是松开键，当键的状态改变后，键盘中的8048芯片把按键对应的扫描码（通码或断码）发送到主板上的8042芯片，由8042处理后保存在自己的寄存器中，然后向8259A发送中断信号，这样处理器便去执行键盘中断处理程序，将8042处理过的扫描码从它的寄存器中读取出来，继续进行下一步处理。

扫描码是硬件提供的编码集，ASCII是软件中约定的编码集，这两个是不同的编码方案。我们的键盘中断处理程序是同硬件打交道的，因此只能得到硬件提供的扫描码，扫描码是硬件提供的编码集，和ASCII不同，所以需要一个字符处理程序来将扫描码替换成ASCII码，可使用中断处理程序来完成。

2.键盘扫描码

键盘扫描码由键盘编码器决定，不同的编码方案便是不同的键盘扫描码，键的扫描码和键的物理位置无关

键盘扫描码有三套，其中第二套几乎是目前所使用键盘的标准

不管用哪套键盘扫描码，为了兼容，都会在 Intel 8042 中转换成第一套扫描码然后发送给中断代理 Intel 8259A 来用

我们在键盘的中断处理程序中只处理第一套键盘扫描码就可以了，如下表所示：

大多数情况下，第一套扫描码中的通码和断码都是 1 字节大小，断码 = 0x80 + 通码

第二套扫描码一般通码是 1 字节大小，断码在通码前再加 1 字节的 0xF0，共 2 字节

Intel 8042 负责将第二套扫描码转换成第一套扫描码

对于通码和断码，通码的最高位为0，表示按下，断码的最高位为1，表示松开，所以通码和断码之间差了 0x80

有些键是 0xe0 作为前缀，不为1字节，那这个键是后来扩展进来的按键

对于 Ctrl+a 这样的组合键

按下的控制键（Ctrl）会被先保存到输出缓冲区寄存器中，等下一个常规键按下之后，算作组合键，进行组合键的按键处理

为了让我们获取击键的过程，在每一次击键动作的“按下”、“按下保持”和“弹起”三个阶段，确切地说是每次8048向8042发扫描码的时候，8042都会向中断代理（我们是8259A）发一次中断，即“键被按下”时发中断，“持续按着不松手”时会持续发中断，“松开手，键被弹起”时也发中断，因此，我们的键盘中断处理程序每次都会随着键盘发出的扫描码而去执行，也就是也会收到完整的击键过程，包括键的持续按压状态。

Intel 8042 的输出缓冲区寄存器只有 8 位宽度，所以每收到1字节扫描码就会向中断代理发送中断信号，只要8042收到1字节的扫描码后，它就会向中断代理发中断信号。因此按键时所发的中断次数，取决于该键扫描码中包含的字节数，通常情况下键的通码和断码各1个，因此通常情况下一个字符会发两次中断，但有的按键的扫描码是多个字节，如右alt键，每按一次将产生4次中断。

3.8042简介

和键盘相关的芯片只有8042和8048，它们都是独立的处理器，都有自己的寄存器和内存。

Intel 8048 芯片或兼容芯片位于键盘中，它是键盘编码器，是键盘对外表现击键信息、帮助键盘“说话”的部件。它除了负责监控按键扫描码外，还用来对键盘设置，比如设置键盘上的各种LED显示灯的开启和关闭。

Intel 8042芯片或兼容芯片被集成在主板上的南桥芯片中，它是键盘控制器，也就是键盘的IO接口，因此它是8048的代理，也是前面所得到的处理器和键盘的中间层。8048通过PS/2，USB等接口与8042通信，处理器通过端口与8042通信（IO接口就是外部硬件的代理，它和处理器都位于主机内部，因此处理器与IO接口可以通过端口直接通信）。

既然8042是8048的IO接口，对8048的编程也是通过8042完成的。

8042 有 4 个 8 位的寄存器，如图：

处理器把对8048的控制命令临时放在8042的寄存器中，让8042把控制命令发送给8048，此时8042充当了8048的参数输入缓冲区。

8048 把工作成果临时提交到 8042 的寄存器中，好让处理器能从 8042 的寄存器中获取它8048的工作成果，此时8042充当了8048的结果输出缓冲区。

当需要把数据从处理器发到 8042 时（数据传送尚未发生时），0x60 端口的作用是输入缓冲区，此时应该用 out指令写入 0x60端口。

当数据已从 8048 发到 8042 时，0x60 端口的作用是输出缓冲区，此时应该用in指令从8042的0x60端口（输出缓冲区寄存器）读取 8048 的输出结果。

输出缓冲区寄存器：

8位宽度，只读，键盘驱动程序通过 in （必须用 in 读取，不然 8042 无法继续响应）读取来自8048的扫描码、 来自8048的命令应答以及对8042本身设置时，8042自身的应答也从该寄存器中获取。

输入缓冲区寄存器：

8位宽度，只写，键盘驱动程序通过 out指令向此寄存器写入对8048的控制命令、参数等，对于8042本身的控制命令也是写入此寄存器。

状态寄存器：

8位宽度，只读，反映 8048 和 8042 的内部工作状态。

• 位0：置1时表示输出缓冲区寄存器已满， 处理器通过 in指令读取后该位自动置0。
• 位1：置1时表示输入缓冲区寄存器已满，8042将值读取后该位自动置 0。
• 位2：系统标志位， 最初加电时为0, 自检通过后置为1。
• 位3：置1时， 表示输入缓冲区中的内容是命令， 置0时， 输入缓冲区中的内容是普通数据。
• 位4：置1时表示键盘启用， 置0时表示键盘禁用。
• 位5：置1 时表示发送超时。
• 位6：置1时表示接收超时。
• 位7：来自8048的数据在奇偶校验时出错。

控制寄存器：

8位宽度，只写，用于写入命令控制字

• 位0：置1时启用键盘中断。
• 位1：置1时启用鼠标中断。
• 位2：设置状态寄存器的位2。
• 位3：置1时， 状态寄存器的位4无效。
• 位4：置1时禁止键盘。
• 位5：置1时禁止鼠标。
• 位6：将第二套键盘扫描码转换为第一套键盘扫描码。
• 位7：保留位， 默认为0。

4.测试键盘中断处理程序

一个中断向量号要有一个中断入口，我们用用宏VECTOR来实现的中断入口，因此所有的中断入口程序几乎都一样，只是中断向量号不同。

宏展开后，中断入口程序名为intr%1entry，其中%1是中断向量号，在入口程序中用这个中断向量号作为idt_table中的索引，调用最终C语言版本的中断处理程序。到目前为止，我们只为时钟添加了中断处理程序，它的中断向量号是0x20，因此在kernel. S中，”VECTOR 0x20,ZERO”是最后一个中断入口。

8259A的IR引脚，键盘的中断信号接在主片的IR1引脚上，也就是它对应的中断向量为0x21，因此我们要修改一下kernel. S，添加一句”VECTOR 0x21,ZERO”.

直接在kernel/kernel.S添加8259A 中的全部中断

VECTOR 0x20, ZERO   ; 时钟中断对应的入口
VECTOR 0x21, ZERO   ; 键盘中断对应的入口
VECTOR 0x22, ZERO   ; 级联用的

VECTOR 0x23, ZERO   ; 串口2对应的入口
VECTOR 0x24, ZERO   ; 串口1对应的入口
VECTOR 0x25, ZERO   ; 并口2对应的入口
VECTOR 0x26, ZERO   ; 软盘对应的入口
VECTOR 0x27, ZERO   ; 并口1对应的入口

VECTOR 0x28, ZERO   ; 实时时钟对应的入口
VECTOR 0x29, ZERO   ; 重定向
VECTOR 0x2a, ZERO   ; 保留
VECTOR 0x2b, ZERO   ; 保留
VECTOR 0x2c, ZERO   ; ps/2鼠标

VECTOR 0x2d, ZERO   ; fpu浮点单元异常
VECTOR 0x2e, ZERO   ; 硬盘
VECTOR 0x2f, ZERO   ; 保留

中断入口程序必须在中断描述符表idt中注册，在中断描述符表中注册中断描述符是在文件interrupt.c中用函数idt_desc_init实现的，它所注册的中断描述符的数量依赖于IDT_DESC_CNT，为此我们要把IDT_DESC_CNT改为合适的数。

暂时先把时钟中断关闭，只打开键盘的中断，完成这个目的，就是写8259A的中断屏蔽寄存器。

/kernel/interrupt.c修改如下：

#include "interrupt.h"
#include "stdint.h"
#include "global.h"
#include "io.h"
#include "print.h"

#define IDT_DESC_CNT 0x30           //目前共支持的中断数，33
#define PIC_M_CTRL 0x20             //主片的控制端口是0x20
#define PIC_M_DATA 0x21             //主片的数据端口是0x21
#define PIC_S_CTRL 0xa0             //从片的控制端口是0xa0
#define PIC_S_DATA 0xa1             //从片的数据端口是0xa1
#define EFLAGS_IF 0x00000200    //eflags寄存器中的if=1
#define GET_FLAGS(EFLAG_VAR) asm volatile("pushfl;popl %0" : "=g"(EFLAG_VAR))
//"=g" 指示编译器将结果放在任意通用寄存器中，并将其赋值给 EFLAG_VAR。
//pushfl 指令将标志寄存器 EFLAGS 的值入栈，然后 popl %0 指令将栈顶的值弹出到指定的操作数 %0 中。
//当调用 GET_FLAGS(EFLAG_VAR) 宏时，它将 EFLAGS 寄存器的值存储到 EFLAG_VAR 变量中。

/*中断门描述符结构体*/
struct gate_desc{
    uint16_t func_offset_low_word;  //低32位——0~15位：中断处理程序在目标代码段内的偏移量的第15~0位
    uint16_t selector;              //低32位——16~31位：目标CS段选择子
    uint8_t dcount;                 //高32位——0~7位：此项为双字计数字段，是门描述符中的第4字节，为固定值
    uint8_t attribute;              //高32位——8~15位：P+DPL+S+TYPE
    uint16_t func_offset_high_word; //高32位——16~31位：中断处理程序在目标代码段内的偏移量的第16~31位
};

//静态函数声明，非必须
static void make_idt_desc(struct gate_desc* p_gdesc,uint8_t attr,intr_handler function);
static struct gate_desc idt[IDT_DESC_CNT];  //IDT是中描述符表，实际上是中断门描述符数组

extern intr_handler intr_entry_table[IDT_DESC_CNT]; //指针格式应该与数组类型一致，这里intr_entry_table中的元素类型就是function，就是.text的地址。所以用intr_handle来引用。声明引用定义在kernel.S中的中断处理函数入口数组
char* intr_name[IDT_DESC_CNT];      //用于保存异常的名字
/*定义中断处理函数：在kernel.S中定义的intrXXentry只是中断处理程序的入口，最终调用的是ide_table中的处理程序*/
intr_handler idt_table[IDT_DESC_CNT];   //idt_table为函数数组，里面保持了中断处理函数的指针

/*创建中断门描述符*/
static void make_idt_desc(struct gate_desc* p_gdesc,uint8_t attr,intr_handler function){ //intr_handler是个空指针类型，仅用来表示地址 
    //中断门描述符的指针、中断描述符内的属性、中断描述符内对应的中断处理函数
    p_gdesc->func_offset_low_word = (uint32_t)function & 0x0000ffff;
    p_gdesc->selector = SELECTOR_K_CODE;
    p_gdesc->dcount = 0;
    p_gdesc->attribute = attr;
    p_gdesc->func_offset_high_word = ((uint32_t)function & 0xffff0000) >> 16;
}

/*初始化中断描述符表*/
static void idt_desc_init(void){
    int i;
    for(i = 0;i < IDT_DESC_CNT;i++){
        make_idt_desc(&idt[i],IDT_DESC_ATTR_DPL0,intr_entry_table[i]);
    }
    put_str("   idt_desc_init done\n");
}

/*初始化可编程中断控制器8259A*/
static void pic_init(void){
    /*初始化主片*/
    outb(PIC_M_CTRL,0x11);          //ICW1：边沿触发，级联8259，需要ICW4
    outb(PIC_M_DATA,0x20);          //ICW2：起始中断向量号为0x20，也就是IR[0-7]为0x20~0x27
    outb(PIC_M_DATA,0x04);          //ICW3：IR2接从片
    outb(PIC_M_DATA,0x01);          //ICW4：8086模式，正常EOI
    /*初始化从片*/
    outb(PIC_S_CTRL,0x11);          //ICW1：边沿触发，级联8259，需要ICW4
    outb(PIC_S_DATA,0x28);          //ICW2：起始中断向量号为0x28，也就是IR[8-15]为0x28~0x2F
    outb(PIC_S_DATA,0x02);          //ICW3：设置从片连接到主片的IR2引脚
    outb(PIC_S_DATA,0x01);          //ICW4：8086模式，正常EOI
    // /*打开主片上IR0，也就是目前只接受时钟产生的中断*/
    // outb(PIC_M_DATA,0xfe);
    // outb(PIC_S_DATA,0xff);
    /*测试键盘，只打开键盘中断，其他全部关闭*/
    outb(PIC_M_DATA,0xfd);
    outb(PIC_S_DATA,0xff);
    put_str("   pic_init done\n");
}

/*通用的中断处理函数，一般用在异常出现时的处理*/
static void general_intr_handler(uint8_t vec_nr){
    if(vec_nr == 0x27 || vec_nr == 0x2f){   //IRQ7和IRQ5会产生伪中断，无需处理;0x2f是从片8259A的最后一个IRQ引脚，保留项
        return;
    }
    //将光标置零，从屏幕左上角清出一片打印异常信息的区域，方便阅读
    set_cursor(0);
    int cursor_pos = 0;
    while (cursor_pos < 320)
    {
        put_char(' ');
        cursor_pos++;
    }
    set_cursor(0);      //重置光标为屏幕左上角
    put_str("!!!!!!! excetion message begin !!!!!!!\n");
    set_cursor(88);     //从第2行第8个字符开始打印
    put_str(intr_name[vec_nr]);
    if(vec_nr == 14){   //若为PageFault，将缺失的地址打印出来并悬停
        int page_fault_vaddr = 0;
        asm("movl %%cr2,%0" : "=r"(page_fault_vaddr));     //将cr2的值转存到page_fault中。cr2是存放造成page_fault的地址
        put_str("\npage fault addr is ");
        put_int(page_fault_vaddr);
    }
    put_str("!!!!!!! excetion message end !!!!!!!\n");
    //能进入中断处理程序就表示已经处在关中断情况下
    //不会出现调度进程的情况，故下面的死循环不会再被打断
    while (1);
}

/*初始化idt_table*/
static void exception_init(void){
    //将idt_table的元素都指向通用的中断处理函数，名称为unknown
    int i;
    for(i = 0;i < IDT_DESC_CNT;i++){
        idt_table[i] = general_intr_handler;    //默认为general_intr_handler，以后会由register_handler来注册具体函数
        intr_name[i] = "unknown";
    }
    intr_name[0] = "#DE Divide Error";
    intr_name[1] = "#DB Debug Exception";
    intr_name[2] = "NMI Interrupt";
    intr_name[3] = "BP Breakpoint Exception";
    intr_name[4] = "#OF Overflow Exception";
    intr_name[5] = "#BR BOUND Range Exceeded Exception";
    intr_name[6] = "#UD Invalid Opcode Exception";
    intr_name[7] = "#NM Device Not Available Exception";
    intr_name[8] = "#DF Double Fault Exception";
    intr_name[9] = "Coprocessor Segment Overrun";
    intr_name[10] = "#TS Invalid TSS Exception";
    intr_name[11] = "#NP Segment Not Present";
    intr_name[12] = "#SS Stack Fault Exception";
    intr_name[13] = "#GP General Protection Exception";
    intr_name[14] = "#PF Page-Fault Exception";
    //intr_name[15]是intel保留项，未使用
    intr_name[16] = "#MF x87 FPU Floating-Point Error";
    intr_name[17] = "#AC Alignment Check Exception";
    intr_name[18] = "#MC Machine-Check Exception";
    intr_name[19] = "#XF SIMD Floating-Point Exception";
}

/*完成所有有关中断的初始化工作*/
void idt_init(){
    put_str("idt_init start\n");
    idt_desc_init();                //初始化中断描述符表
    exception_init();
    pic_init();                     //初始化8259A
    /*加载idt*/
    // uint64_t idt_operand = ((sizeof(idt)-1) | (uint64_t)((uint32_t)idt << 16)); //书上是错的
    uint64_t idt_operand = ((sizeof(idt)-1) | ((uint64_t)(uint32_t)idt << 16)); //低16位是idt的大小，高48位是IDT的基址。因为idt是32位，左移16位后会丢失高16位，所以先转换为64位再左移
    asm volatile("lidt %0" : : "m" (idt_operand));   //加载IDT，IDT的0~15位是表界限，16~47位是表基址
    put_str("idt_init done\n");
}

/*开中断，并返回开中断前的状态*/
enum intr_status intr_enable(){
    enum intr_status old_status;
    if(INTR_ON == intr_get_status()){
        old_status = INTR_ON;
        return old_status;
    }else{
        old_status = INTR_OFF;
        asm volatile("sti");    //开中断
        return old_status;
    }
}

/*关中断，并返回关中断前的状态*/
enum intr_status intr_disable(){
    enum intr_status old_status;
    if(INTR_ON == intr_get_status()){
        old_status = INTR_ON;
        asm volatile("cli" : : : "memory"); //关中断，cli指令将IF位置0
        return old_status;
    }else{
        old_status = INTR_OFF;
        return old_status;
    }
}

/*将中断状态设置为status*/
enum intr_status intr_set_status(enum intr_status status){
    return status & INTR_ON ? intr_enable() : intr_disable();
}

/*获取当前中断状态*/
enum intr_status intr_get_status(){
    uint32_t eflags = 0;
    GET_FLAGS(eflags);
    return (EFLAGS_IF & eflags) ? INTR_ON : INTR_OFF;
}

/*在中断处理程序数组第vector_no个元素中注册安装中断处理程序function*/
void register_handler(uint8_t vector_no,intr_handler function){
    idt_table[vector_no] = function;    //idt_table数组中的函数是在进入中断后根据中断向量号调用的
}

将IDT_DESC_CNT改为了0x30，目前8259A所支持的全部外部中断。

中断屏蔽寄存器，只打开了键盘中断，即位1为0，其他位都为1，因此写入的值为0xfd。

从片上的中断屏蔽寄存器，屏蔽了从片上的所有中断，所以值为 0xff。

其实只更改了一点

#define IDT_DESC_CNT    0x30
...
static void pic_init(void){
    ...
    // 测试键盘, 只打开键盘中断, 其它全部关闭
    outb (PIC_M_DATA, 0xfd);
    outb (PIC_S_DATA, 0xff);

    put_str("    pic init done\n");
}

device/keyboard.c

#include "keyboard.h"
#include "print.h"
#include "interrupt.h"
#include "io.h"
#include "global.h"

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

/*键盘中断处理程序*/
static void intr_keyboard_handler(void){
    /*必须要读取输出缓冲区寄存器，否则8042不在继续响应键盘中断*/
    uint8_t scancode = inb(KBD_BUF_PORT);
    put_int(scancode);
    return;
}

/*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");
}

这里简单演示键盘中断机制。

intr_keyboard_handler就是键盘中断处理程序，每收到一个中断，就调用inb(KBD_BUF_PORT)读取 8042 的输出缓冲区寄存器，打印对应的通码和断码。

函数 inb是有返回值的，它返回的是从端口读取的数据，根据ABI约定，返回值是存放在寄存器eax中的。

对应keyboard.h

#ifndef __DEVICE_KEYBOARD_H
#define __DEVICE_KEYBOARD_H
#include "stdint.h"
//函数声明

/*键盘初始化*/
void keyboard_init(void);
#endif

/kernel/init.c加上键盘初始化

#include "init.h"
#include "print.h"
#include "interrupt.h"
#include "../device/timer.h"
#include "memory.h"
#include "../thread/thread.h"
#include "console.h"
#include "keyboard.h"

/*负责初始化所有模块*/
void init_all(){
    put_str("init_all\n");
    idt_init();     //初始化中断
    mem_init();
    thread_init();
    timer_init();   //初始化PIT
    console_init(); //控制台初始化最好放在开中断之前
    keyboard_init();
}

main函数注释之前的线程代码。

#include "print.h"
#include "init.h"
#include "thread.h"
#include "interrupt.h"
#include "console.h"

int main(){
    put_str("\nI am kernel\n");
    init_all();
    intr_enable(); // 打开中断, 使时钟中断起作用

    while(1);
    return 0;
}

更新makefile文件

OBJS = $(BUILD_DIR)/main.o $(BUILD_DIR)/init.o $(BUILD_DIR)/interrupt.o \
    $(BUILD_DIR)/timer.o $(BUILD_DIR)/kernel.o $(BUILD_DIR)/print.o $(BUILD_DIR)/debug.o \
    $(BUILD_DIR)/string.o $(BUILD_DIR)/memory.o $(BUILD_DIR)/bitmap.o $(BUILD_DIR)/thread.o \
    $(BUILD_DIR)/switch.o $(BUILD_DIR)/list.o $(BUILD_DIR)/sync.o $(BUILD_DIR)/console.o  \
    $(BUILD_DIR)/keyboard.o

$(BUILD_DIR)/keyboard.o: device/keyboard.c device/keyboard.h lib/kernel/print.h lib/stdint.h kernel/interrupt.h lib/kernel/io.h \
    kernel/global.h
    $(CC) $(CFLAGS) $< -o $@

执行结果如下：

键盘按下松开a，输出，0x1E 为 a 键的通码，0x9E为a 键的断码。

键盘按下松开b，输出如下：

5.参考

郑钢著操作系统真象还原

田宇著一个64位操作系统的设计与实现

丁渊著ORANGE’S：一个操作系统的实现