重学操作系统----15 | 中断和中断向量:Java/js 等语言为什么可以捕获到键盘输入?

简介: 当你拿到一个问题时,需要冷静下来思考和探索解决方案。你可以查资料、看视频或者咨询专家,但是在这之前,你先要进行一定的思考和梳理,有的问题可以直接找到答案,有的问题却需要继续深挖寻找其背后的理论支撑。

探索过程:如何设计响应键盘的整个链路?

当你拿到一个问题时,需要冷静下来思考和探索解决方案。你可以查资料、看视频或者咨询专家,但是在这之前,你先要进行一定的思考和梳理,有的问题可以直接找到答案,有的问题却需要继续深挖寻找其背后的理论支撑。

问题 1:我们的目标是什么?


我们的目标是在 Java/JS 中实现按键响应程序。这种实现有点像 Switch-Case 语句——根据不同的按键执行不同的程序,比如按下回车键可以换行,按下左右键可以移动光标。

问题 2:按键怎么抽象?


键盘上一般不超过 100 个键。因此我们可以考虑用一个 Byte 的数据来描述用户按下了什么键。按键有两个操作,一个是按下、一个是释放,这是两个不同的操作。对于一个 8 位的字节,可以考虑用最高位的 1 来描述按下还是释放的状态,然后后面的 7 位(0~127)描述具体按了哪个键。这样我们只要确定了用户按键/释放的顺序,对我们的系统来说,就不会有歧义。

问题 3:如何处理按键?使用操作系统处理还是让每个程序自己实现?


处理按键是一个通用程序,可以考虑由操作系统先进行一部分处理,比如:


用户按下了回车键,先由操作系统进行统一的封装,再把按键的编码转换为字符串Enter方便各种程序使用。


处理组合键这种操作,由操作系统先一步进行计算比较好。因为底层只知道按键、释放,组合键必须结合时间因素判断。


你可以把下面这种情况看作是一个Ctrl + C组合键,这种行为可以由操作系统进行统一处理,如下所示:

按下 Ctrl
按下 C
释放 Ctrl
释放 C

问题 4:程序用什么模型响应按键?


当一个 Java 或者 JS 写的应用程序想要响应按键时,应该考虑消息模型。因为如果程序不停地扫描按键,会给整个系统带来很大的负担。比如程序写一个while循环去扫描有没有按键,开销会很大。 如果程序在操作系统端注册一个响应按键的函数,每次只有真的触发按键时才执行这个函数,这样就能减少开销了。

问题 5:处理用户按键,需不需要打断正在执行的程序?


从用户体验上讲,按键应该是一个高优先级的操作,比如用户按 Ctrl+C 或者 Esc 的时候,可能是因为用户想要打断当前执行的程序。即便是用户只想要输入,也应该尽可能地集中资源给到用户,因为我们不希望用户感觉到延迟。


如果需要考虑到程序随时会被中断,去响应其他更高优先级的情况,那么从程序执行的底层就应该支持这个行为,而且最好从硬件层面去支持,这样速度最快。 这就引出了本课时的主角——中断。具体如何处理,见下面我们关于中断部分的分析。

问题 6:操作系统如何知道用户按了哪个键?


这里有一个和问题 5 类似的问题。操作系统是不断主动触发读取键盘按键,还是每次键盘按键到来的时候都触发一段属于操作系统的程序呢?


显然,后者更节省效率。


那么谁能随时随地中断操作系统的程序? 谁有这个权限?是管理员账号吗? 当然不是,拥有这么高权限的应该是机器本身。


我们思考下这个模型,用户每次按键,触发一个 CPU 的能力,这个能力会中断正在执行的程序,去处理按键。那 CPU 内部是不是应该有处理按键的程序呢?这肯定不行,因为我们希望 CPU 就是用来做计算的,如果 CPU 内部有自带的程序,会把问题复杂化。这在软件设计中,叫作耦合。CPU 的工作就是专注高效的执行指令。


因此,每次按键,必须有一个机制通知 CPU。我们可以考虑用总线去通知 CPU,也就是主板在通知 CPU。

20210224220409408.png

那么 CPU 接收到通知后,如何通知操作系统呢?CPU 只能中断正在执行的程序,然后切换到另一个需要执行的程序。说白了就是改变 PC 指针,CPU 只有这一种办法切换执行的程序。这里请你思考,是不是只有这一种方法:CPU 中断当前执行的程序,然后去执行另一个程序,才能改变 PC 指针?

2021022422042228.png

接下来我们进一步思考,CPU 怎么知道 PC 指针应该设置为多少呢?是不是 CPU 知道操作系统响应按键的程序位置呢?


答案当然是不知道。


因此,我们只能控制 CPU 跳转到一个固定的位置。比如说 CPU 一收到主板的信息(某个按键被触发),CPU 就马上中断当前执行的程序,将 PC 指针设置为 0。也就是 PC 指针下一步会从内存地址 0 中读取下一条指令。当然这只是我们的一个思路,具体还需要进一步考虑。而操作系统要做的就是在这之前往内存地址 0 中写一条指令,比如说让 PC 指针跳转到自己处理按键程序的位置。


讲到这里,我们总结一下,CPU 要做的就是一看到中断,就改变 PC 指针(相当于中断正在执行的程序),而 PC 改变成多少,可以根据不同的类型来判断,比如按键就到 0。操作系统就要向这些具体的位置写入指令,当中断发生时,接管程序的控制权,也就是让 PC 指针指向操作系统处理按键的程序。

问题 7:主板如何知道键盘被按下?


经过一层一层地深挖“如何设计响应键盘的整个链路?”这个问题,目前操作系统已经能接管按键,接下来,我们还需要思考主板如何知道有按键,并且通知 CPU。


你可以把键盘按键看作按下了某个开关,我们需要一个芯片将按键信息转换成具体按键的值。比如用户按下 A 键,A 键在第几行、第几列,可以看作一个电学信号。接着我们需要芯片把这个电学信号转化为具体的一个数字(一个 Byte)。转化完成后,主板就可以接收到这个数字(按键码),然后将数字写入自己的一个寄存器中,并通知 CPU。


为了方便 CPU 计算,CPU 接收到主板通知后,按键码会被存到一个寄存器里,这样方便处理按键的程序执行。

思路的整理:中断的设计


整体设计分成了 3 层,第一层是硬件设计、第二层是操作系统设计、第三层是程序语言的设计。


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的位置,我们称为一次中断(interrupt)。


考虑到系统中会出现各种各样的事件,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 指针跳转的位置也可能会不同。比如按键程序、打印机就绪程序、系统异常等都需要中断,例如系统调用,也需要中断正在执行的程序,切换到内核态执行内核程序。


因此我们需要把不同的中断类型进行分类,这个类型叫作中断识别码。比如按键,我们可以考虑用编号 16,数字 16 就是按键中断类型的识别码。不同类型的中断发生时,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)


你可以考虑这样的实现:当编号 16 的中断发生时,32 位机器的 PC 指针直接跳转到内存地址 16*4 的内存位置。如果设计最多有 255 个中断,编号就是从 0~255,刚好需要 1K 的内存地址存储中断向量——这个 1K 的空间,称为中断向量表


32位刚好是4个字节,也就是说255个4字节就可以存储整个向量表.


因此 CPU 接收到中断后,CPU 根据中断类型操作 PC 指针,找到中断向量。操作系统必须在这之前,修改中断向量,插入一条指令。比如操作系统在这里写一条Jump指令,将 PC 指针再次跳转到自己处理对应中断类型的程序。

20210224220649229.png

操作系统接管之后,以按键程序为例,操作系统会进行一些处理,包括下面的几件事情:


将按键放入一个队列,保存下来。这是因为,操作系统不能保证及时处理所有的按键,比如当按键过快时,需要先存储下来,再分时慢慢处理。


计算组合键。可以利用按下、释放之间的时间关系。


经过一定计算将按键抽象成消息(事件结构或对象)。


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消息。


分发按键消息给监听按键的程序。


所以程序在语言层面,比如像 Java/Node.js 这种拥有虚拟机的语言,只需要对接操作系统 API 就可以了。

中断的类型


按照中断的触发方分成同步中断异步中断


根据中断是否强制触发分成可屏蔽中断不可屏蔽中断


中断可以由 CPU 指令直接触发,这种主动触发的中断,叫作同步中断。同步中断有几种情况。


  1. 系统调用,需要从用户态切换内核态,这种情况需要程序触发一个中断,叫作陷阱(Trap),中断触发后需要继续执行系统调用。
  2. 还有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,比如缺页中断 pagefault。
  3. 程序的异常,这种情况和 Trap 类似,用于实现程序抛出的异常。


另一部分中断不是由 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。这种中断我们称为异步中断。


CPU 通常都支持设置一个中断屏蔽位(一个寄存器),设置为 1 之后 CPU 暂时就不再响应中断。对于键盘鼠标输入,比如陷阱、错误、异常等情况,会被临时屏蔽。但是对于一些特别重要的中断,比如 CPU 故障导致的掉电中断,还是会正常触发。可以被屏蔽的中断我们称为可屏蔽中断,多数中断都是可屏蔽中断。


这也可以解释为什么有的程序不能被ctrl + c终结.

问题1: Java/Js 等语言为什么可以捕获到键盘输入?


为了捕获到键盘输入,硬件层面需要把按键抽象成中断,中断 CPU 执行。CPU 根据中断类型找到对应的中断向量。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。操作系统实现了基本解析按键的算法,将按键抽象成键盘事件,并且提供了队列存储多个按键,还提供了监听按键的 API。因此应用程序,比如 Java/Node.js 虚拟机,就可以通过调用操作系统的 API 使用键盘事件。

问题2:操作系统可以处理键盘按键可以理解,那么我们开机的时候也可以使用键盘,但是那时候操作系统还没有载入内存,这个怎么解释?


主板的一块 ROM 上往往还有一个简化版的操作系统,叫 BIOS(Basic Input/Ouput System)。在 OS 还没有接管计算机前,先由 BIOS 管理机器,并协助加载 OS 到内存。早期的 OS 还会利用 BIOS 的能力,现代的 OS 接管后,就会替换掉 BIOS 的中断向量。


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