重学操作系统（十二）

重学操作系统（十二）

前言

之前提到了用户态进行系统调用会有一个中断的操作（Trap）。今天就来看下中断到底是什么。

在此之前，我们可以回想下。我们每天都会和键盘，鼠标这种外设有互动。可是，Java等语言是怎么捕获到键盘的输入的呢？后面会先讲一下响应这些外设的一个设计思想，以键盘为例，后面引出中断相关的知识点。

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贯穿全文的一道题：Java/js 等语言为什么可以捕获到键盘输入？

*** 设计响应键盘

设计目标

在Java等语言中实现按键响应，类似Switch-Case，根据不同按键执行不同功能。

按键抽象

按键一般不会超过128个，因此可以用Byte数据描述用户按键。按键一般分为按下和释放两个状态。对于一个Byte类型的数，最高位可以用来表示状态，后7位（0 - 127）表示具体按键。

处理按键

可以由操作系统做一部分处理后交给程序处理：

1. 例如用户按下回车键，先由操作系统统一封装，再把按键的编码转换成字符串Enter方便各种程序使用

2. 处理组合键，操作系统先一步计算比较好，因为底层只知道按键的释放和按下状态。组合键必须结合时间因素判断。

响应按键

当一个Java或者其它语言写的应用程序要响应按键时，一般用消息模型。如果程序不停扫描按键，会造成系统很大的负担。如果程序在操作系统注册一个响应按键的函数，每次只有触发按键才执行，就能减少开销。

按键操作

这里就要用到中断了，一般来说，按键是高优先级的操作，因此如果有按键操作，一般要中断先有操作去响应。这就需要硬件层面的支持了。因此也才会涉及到中断的概念。

识别按键

每次按键，通过总线（Bus）通知CPU，CPU中断正在执行的程序，然后切换执行按键相关的程序。CPU切换执行程序的办法是改变PC指针。这样的好处是，降低CPU和按键的耦合性，让CPU在日常情况下，能专注高效的处理指令。

其中一个设计思想是：

我们只能控制CPU跳转到固定位置，比如CPU一收到主板信息（比如按键操作），CPU会马上中断当前程序，将PC指针设置为0。所有操作的最新指令都放在内存为0的地址中。

主板识别

关于主板如何识别按键，其中设计思路为：

可以将按键信息转换成具体的按键值，比如用户按下A，A在第几行第几咧，可以看作一个电信号。然后把这个电信号转化成一个Byte型数字。转换完成，主板就可以接收到这个数字（按键码），然后写入寄存器，通知CPU

中断设计

经过上面几步，整体设计分为了三层，第一层是硬件设计，然后是操作系统设计，接着是程序语言设计。

按键码的收集，是键盘芯片和主板的能力。主板知道有新的按键后，通知CPU，CPU要中断当前执行的程序，将PC指针跳转到一个固定位置，这便是一次 中断。

我们需要根据中断类型来判断PC指针跳转的位置，中断类型不同，PC指针跳转位置也可能不同。比如按键程序，打印机，系统异常，包括系统调用等都需要中断操作。

这种分类叫作中断识别码。不同的中断发生时，CPU需要知道PC指针该跳转到哪个地址，这个地址称为中断向量（Interupt Vector）。存储中断向量的内存空间，叫作中断向量表。

因此，按键按下的整个接收信号流程可以是：

1. 按键按下，通过消息传递方式，将消息传递给CPU。
2. CPU收到信号后，进入中断，并根据中断类型，操作PC指针，找到中断向量。操作系统会插入一条指令，将PC指针跳转到对应中断的处理程序。
3. 上述结束后，操作系统便接管了后续处理。按键信号被放入一个队列，保存下来。因为操作系统不一定能保证及时处理所有按键。
4. 对于组合按键，可以利用按下、释放之间的时间关系。
5. 经过计算将按键抽象成信息。
6. 提供API给应用程序，让应用程序可以监听操作系统处理后的信息。
7. 分发按键消息给监听按键的程序。

中断类型

按触发方式

1. 同步中断

中断可以由CPU指令直接触发。有以下几种情况：

1. 系统调用，从用户态转到内核态，触发中断，叫作Trap，中断触发后，需要继续执行系统调用。
2. 另一种同步中断情况是错误（Fault），通常是因为检测到某种错误，需要触发一个中断。中断响应结束后，会重新执行触发错误的地方。
3. 最后一种情况是程序的异常，类似Trap，用于实现程序抛出的异常。

2. 异步中断

异步中断不是由CPU直接触发，是因为需要响应外部的通知，比如响应键盘，鼠标等设备而触发的中断。

根据中断是否潜质触发

1. 可屏蔽中断

CPU通常都支持设置一个中断屏蔽位（一个寄存器），设置为1后，CPU暂时就不再响应中断。对于键盘鼠标输入，比如Trap，错误，异常等情况，会被临时屏蔽。但是对于类似CPU故障导致的掉电中断，还是会正常触发。可以被屏蔽的中断称为可屏蔽中断，大部分中断是可屏蔽中断。

2. 不可屏蔽中断

类似CPU故障导致的掉电中断这种严重的问题是不可屏蔽中断

总结

因此，回到前面的问题，应该能有一个比较抽象的答案了：

为了捕获到键盘输入，硬件层需要把按键抽象为中断，中断CPU执行。CPU根据中断类型（中断识别码），找到对应的中断向量（内存地址）。操作系统预置了中断向量，因此发生中断后，操作系统接管了程序。操作系统实现了解析按键的基本算法，将按键抽象为键盘时间，并且提供队列存储多个按键，还提供了监听的API。因此例如Java等语言的程序，就可以通过调用系统API使用按键事件。

Q:操作系统可以处理键盘按键，这很好理解，但是在开机的时候系统还没有载入内存，为什么可以使用键盘呢？这个怎么解释？

A:主板上有一块ROM上有一个简化操作系统，叫作BIOS（Basic Input/Output System），在开机没有进入操作系统期间，BIOS来管理机器，并且协助加载OS到内存。现代OS在加载进入内存后，会替换掉BIOS的中断向量。

参考

[1] https://kaiwu.lagou.com/course/courseInfo.htm?courseId=478#/detail/pc?id=4622