字符設備驅動程序

1、字符設備驅動程序字符設備驅動程序與塊設備不同。所涉及的鍵盤驅動、控制臺顯示驅動和串口 驅動以及與這些驅動有關的接口、算法程序都緊密相關。他們共同協(xié)作實現(xiàn)控制臺 終端和串口終端功能。下圖反映了控制臺鍵盤中斷處理過程。put_queuedo_rdo_ry_inT&LiupTcop5'_to_cookecopy_to_cooke放入隊列屮.read_q放入隊列屮read_qcon_write secondaryprr：:1、write_q輸出到顯不加輸出到顯不加以上為總的處理流程，下面對每一個驅動分開分析。首先是鍵盤驅動。鍵盤驅動用 匯編寫的，比較難理解，牽涉內容較多，有鍵盤控制器8

2、04X的編程，還有掃描碼（共3套，這里用第二套）和控制命令及控制序列（p209210有講解）。由于鍵 盤從XT發(fā)展到AT到現(xiàn)在PS/2, USB,無線鍵盤，發(fā)展較快，驅動各有不同，此 版本驅動為兼容XT，將掃描碼映射為XT再處理，因此僅供參考。CNIX操作系 統(tǒng)的鍵盤驅動實現(xiàn)為C語言，可讀性更好。鍵盤驅動鍵盤驅動就是上圖鍵盤硬件中斷的過程。keyboard.S中的keyboardn terrupt函數為中斷主流程，文件中其他函數均被其調用。一一ds, es置為內核數據段以上打星處為鍵盤驅動的核心，即主要處理過程，針對不同掃描碼分別處理，并最 終將轉換后所得ASCII碼或控制序列放入控制臺tty

3、結構的讀緩沖隊列read_q中。鍵處理程序跳轉表為key_table,根據掃描碼調用不同處理程序，對于“普通 鍵”，即只有一個字符返回且沒有含義變化的鍵，調用do_self函數。其他均為“特殊鍵”：1. crtrl鍵的按下和釋放2. alt鍵的按下和釋放3. shift鍵的按下和釋放 4. caps lock鍵的按下和釋放（釋放直接返回，不作任何處理）5. scroll lock鍵的按下6. num lock的按下7.數字鍵盤的處理（包括alt-ctrl+delete的處理，因為老式鍵 盤delete鍵在數字小鍵盤上。還包括對光標移動鍵的分別處理）8.功能鍵（F1F12）的處理9.減號的處理（

4、老鍵盤'與''以OxeO加以區(qū)分，可能其中一鍵 要按shift）do_self是最常用的流程，即跳轉表中使用頻率最高的流程：控制臺程序控制臺程序分兩部分：1.控制臺初始化2.控制臺寫函數控制臺初始化函數根據EGA單色、MDA單色、EGA彩色、CGA各種顯卡設 置顯卡類型、顯存占用內存的起始地址、結束地址、顯示索引寄存器端口和顯示數 據寄存器端口。并將顯卡類型打印在屏幕上。初始化滾屏變量和光標位置，設置鍵 盤中斷陷阱門，復位鍵盤?？刂婆_寫函數從終端對應的tty寫緩沖隊列中取字符，并顯示在屏幕上。思路 是利用狀態(tài)機原理對緩沖隊列中的字符逐一處理（若是字符寫在顯存對應位置，若

5、 是光標，設置光標位置），最后向顯示控制器發(fā)送光標顯示位置。一6.ESC(?)E9.ESCH12.ESCL15.ESC18.ESCs光標下移ESC(?)f在光標處插在光標處刪保存光標位指定列數光標移到入n行除n個字符置并回到0列移到指定13.ESCM16.ESCm19.ESCu7.ESCF行、列在光標處刪改變光標處恢復光標位光標上移10.ESCJ除n行字符顯示屬置指定行數清屏14.ESCP性并回到0列11.ESCK在光標處刪17.ESCr8.ESC(?)d對行中字符除n個字符設置滾屏的光標移到刪除始末行號end收到字符ESC0124f且數組歷元par未遍start1. 非控制字符 非擴展字符2

6、. 換行符垂直制表符換頁符3. 回車符4. DEL5. BackSpace6. 水平制表符7. 揚聲器1. ESC E光標移到下一行開始處2. ESC M光標上移一行3. ESC D光標下移一行4. ESC Z發(fā)送終端應答 字符序列5. ESC 7保存光標位置6. ESC 8恢復光標位置ESC2ESC28ESC2871. ESCG ESC'光標移到指定列2. ESCA光標上移 指定行數3. ESCBESC(?)e光標下移指定行數4. ESCC光標右移指定列數5. ESCD光標左移指定列數上圖中黑虛線表示不退出case循環(huán)讀取下一字符，而是直接轉到下一狀態(tài)。狀態(tài)1的5、6與狀態(tài)4的18、

7、19相同。(?)表示可能包含？串口程序、串行通信原理UCCP串行接口串行接口通信方式：方向、連接、異步/同步；速度控制：波特率控制、收/發(fā)時鐘、基準時鐘； 差錯控制：單/雙端、信號重復、檢錯和糾錯編碼； 長距離傳輸：信號調制（調頻、調幅、調相）； 通道共享：時分多路、頻分多路； 通信協(xié)議：異步串行/同步串行通信協(xié)議；接口標準：類型（信號定義、邏輯特性、電氣特性、機械特性 ）、起止式異步串行通信協(xié)議LSBy/ /0 /0/10/1空 閑 位起始位奇偶校驗位可有可無停止位（1, 1.5或2位）通信刖約定一波特率、子符（數據/校驗/結束）格式；字符識別一空閑狀態(tài)、字符開始、數據格式、字符結束、起點漂

8、移解決; 抗干擾（信號重復）實現(xiàn)-起始位采樣、數據采樣；字符正確性一校驗碼編碼技術、檢錯與糾錯 三、串行通信接口標準標準類型：RS-232C、RS-422A、RS-423、RS-485RS-232C接口標準：信號定義：RxD、TxD、SG、DTR/DSR、RTS/CTS、DCD、RI 邏輯特性：連接、信號使用/不使用MODEM時握手規(guī)則電氣特性：信號電平、電平轉換機械特性：連接器、有效傳輸距離 四、INS8250內部結構 內部總體結構CS0- CS I -CS2A2 AI -A0ADSC5OUTDDIS DISTR DISTRy DOSTR- nosTRMR_ XIALI*XTAL2-*數據總

9、線緩沖器彳二接收緩沖寄存器RBRX.AR選擇和控制邏輯接收移位寄存器即狀態(tài)寄存器.SR線躋控制野布器LCR除數鎖存器（高位）兒H除數鎖存器（低位）DLLMODEM控制寄存器MCRMODE1狀態(tài)寄存MSR 4-中斷允許寄存器】ER發(fā)送保持寄存器IIR中斷識別寄存器IIR接收同步控制發(fā)送同步控制發(fā)送移伐寄存器*波特率發(fā)生器MODEM控制邏輯嚼制-SIN-RCLK SOUTHOUDOUIo尸 DTRco 01H1oOUT2 CTSDSRRi_RLSD” TNTPR7中斷控制邏輯INTPR端口定義和寄存器定義A2A1A0DLABRD#有效WR#有效0000接收緩沖寄存器RBR發(fā)送保持寄存器THR1波特

10、率除數寄存器DLL（低字節(jié)）0010中斷允許寄存器IER1波特率除數寄存器DLH（高字節(jié)）010X中斷識別寄存器IIRI£lFO控制器FCR011X線路控制寄存器LCR100XMODEM 控制寄存器 MCR101X線路狀態(tài)寄存器LSR110XMODEM 狀態(tài)寄存器 MSR111XScratch寄存器說明：DLAB為LCR的D7位LCR 使用時，最后一次使 D7=0并設置其它位；DLH/DLL 值為基準時鐘頻率十（16 X波特率）；IIR 中斷請求一 IIR過程，對IIR讀操作時其值的變化原理；與程序關系緊密的硬件是除數寄存器、接受緩沖、發(fā)送緩沖、中斷允許寄存器、以 及通信線路和Mod

11、em的控制和狀態(tài)寄存器。所謂的 DLH/DLL值在除數寄存器中 設定，即波特率因子。同步控制時會以當前設定波特率的16倍頻控制每一位信號的脈沖保持時間（即如果要求高信號必須是保持10ms,貝U同步控制會以10/16ms的時間精度保證16次的10/16ms都為高脈沖），接收到信號以同樣的原理檢測信 號。（通常檢測16倍頻中的第7, 8，9三個倍頻處的脈沖，以少數服從多數原則 判斷脈沖的高低）。中斷的屏蔽與否取決于中斷允許寄存器。中斷產生后都在中斷標識寄存器中置 位。因此只要有中斷標識在中斷標識寄存器中置位且不屏蔽就會發(fā)出中斷。在實際 處理中，在串口中斷處理中循環(huán)判斷是否在處理完上一中斷后已產生下

12、一中斷，若 有則直接處理，提高了效率。串口程序分為初始化部分serial.c和中斷處理部分rs_io.s。串口初始化相當簡 單:串口中斷處理程序也很簡單:保存現(xiàn)場，即eax等針對4個中斷源的處理函數中兩個函數：Modem狀態(tài)改變的處理和接收狀態(tài)有錯處理都未作實際處理，只是復位相應寄存器。另兩個函數為已接收到數據處理和發(fā) 送保持寄存器空的處理。接收到數據中斷的處理（read_char函數）（與讀隊列read_q交互）讀取字符發(fā)送保持寄存器空中斷的處理（write_char函數）（與寫隊列write_q交互）計算寫緩沖隊列中的字符數頭尾指針相等?置等待進程狀態(tài)為可運行（喚醒）屏蔽發(fā)送保持寄存器隊列

13、中字符數超過256 個？退出置等待進程狀態(tài)為可運行（喚醒）頭尾指針相等?讀隊列尾的字符到保持寄存器退出尾指針前移、取模、保存字符設備(終端)的上層接口tty_io.c和tty_ioctl是終端(控制臺和串口終端)的上層接口實現(xiàn)其實除了 copy_to_cooked(函數提供完全供內核使用外。字符設備接口函數(即與用戶程序 的接口)就三個：tty_read()，tty_write()和tty_ioctl()與用戶程序的接口函數的特征 是以設備號作為參數，而不會以某個內核數據結構作為參數。tty_read函數實現(xiàn)用戶接口從tty隊列的secondary隊列中讀取字符。讀取的 規(guī)則由p378的MIN

14、和TIME機制決定。tty_write函數將用戶緩沖區(qū)的字符寫入 tty的write_q隊列，未寫完或 write_q滿了則睡眠，直到寫完為止。tty_iotcl是用 戶程序用來設置或取得tty設備(控制臺終端或串口終端)參數的。如設置或取 得termios結構的屬性、設置波特率。獲取或設置終端設備進程的組id等。還有很多功能Linux0.11未實現(xiàn)，估計是為了兼容 POSIX標準，已預留了接口。tty_read()，tty_write()在系統(tǒng)中的位置如下圖：丈n毎如屮字役設備馳動程庁注：函數 tty_write(). tty_read (i 和 copy _t o_c ook$d() 均t

15、E tty_io. c '|1押制臺終端設備值得一提的是tty_queue緩沖隊列結構中緩沖區(qū)的算法，采用的是循環(huán)緩沖區(qū)的 算法：tail指針處取字符，head指針處插字符。tail取完一字符和head插完一字 符，都將指針增1。到了邊界再轉到緩沖區(qū)開頭，詳見 p410 2334行緩沖區(qū)操作宏 函數。緩沖區(qū)的數據結構如下圖：termios ： i'i 晦tty_table 數組”瓦它字段寫函數指針tty垢隊列 (irrit e_q)tty輔助隊列(secondary)tty讀隊列(read_q)真它字段 -(-ail)緩沖區(qū)(buf)tty_io.c和tty_ioctl.c兩文

16、件中與用戶接口無關，只在內核中使用的函數是 copy_to_cooked（函數。它的功能是1.將read_q中的字符復制成規(guī)范模式字符放在 secondary隊列中。2.對鍵盤中斷符進行處理：向當前進程發(fā)送鍵盤中斷信號，鍵 盤退出信號。3.如果設置了回顯標志，將相應字符放入 write_q隊列并調用tty- write直接輸出到屏幕（con_write）或從串口輸出（rs_write） 4.最后喚醒等待 sec on dary的 進程。LinuxO .11字符設備部分總結該部分盡管有鍵盤、顯卡、串口的硬件驅動程序，但它們通過中斷串聯(lián)在了一 起，即相互間緊密相關。相關的方式是以功能為導向：1.控

17、制臺終端2.串口終端1.控制臺終端，見下面兩圖。是以鍵盤中斷觸發(fā)的中斷處理過程：鍵盤中斷處 理（掃描碼轉ASCII碼或CSI）-行規(guī)則程序（copy_to_cooked）-屏幕顯 示（顯卡驅動con_write，顯示字符及光標位置和完成滾屏功能）融盤屮斷處理過程鍵盤砌件中斷放入隊列屮輸出到顯示屏con_writeput.queuedo_t Ly_int&nupTcopy_ta_cookeVrread_qsecond£r5Trrire_Q系統(tǒng)調用read, Write了符設備接口char dev.ct ty_Trri te (?tty_read()字符設備馳動程川seconda

18、ry11 !iechowrite qcopy_tQ_coaked() |j 1注；歯數 tty_write().rty_read 0 和co-tocooked ()均在 tty_io. c '(Jcon_write()console, cput_aueue ()keyboard. S終喘就裂擰制臺終端設備*終端顯示器2.串口驅動，與鍵盤只有一個中斷源（按鍵）不同，串口有4個中斷源，Linu x0.11只對接收到數據中斷和發(fā)送數據中斷處理（其余2個只是復位寄存器，暫未處理）。對于接收到數據中斷：串口中斷處理過程按版到數據中斷read_qwrite_q上圖為串口中斷接收到數據后的處理過程。rs_write的作用是開啟寫保持空寄存器 空中斷，此中斷會調用 write_char中斷處理程序。因此此時是中斷嵌套中斷。概括 起來也是3步：串行口接收到字符中斷-行規(guī)則程序（cop