【一个操作系统的设计与实现】第16章 键盘驱动（下）

我们的操作系统虽然已经实现了键盘驱动，但其功能仅限于在屏幕上打印输入的字符，任务并不能读取到这些字符。本章将要实现读取键盘输入的系统调用。

16.1 读取键盘输入的原理

想要让任务读取到键盘输入，最简单的方法是构造一个数组，当键盘中断发生时，将键盘输入的字符保存在这个数组中。然而，这个方案有一个无法解决的问题：如果一个任务想要读取键盘输入，但此时数组是空的，该怎么办？

想要解决这个问题，就需要一个具有等待功能的数组。当任务无法在数组中读取到字符时，使任务等待；当数组中又有字符时，将任务唤醒。处于等待中的任务不能运行，所以其不能出现在任务队列中，而是应该出现在与这个数组配套使用的等待队列中；当数组中又有字符时，将此任务从等待队列中取出，并重新添加到任务队列中。这样，就实现了任务的等待与唤醒。在我们的操作系统中，这种具有等待功能的数组被称为IO队列。

16.2 读取键盘输入的实现

16.2.1 IO队列的实现

现在，请看本章代码16/IOQueue.h。

第6\~12行，定义了IOQueue结构体。IO队列的实现使用了双指针算法，其内部包含一个16字节的字符缓冲区，以及两个索引值。__leftIdx是慢指针，用于读取字符；__rightIdx是快指针，用于存储字符。此外，IO队列还带有一个专用的等待队列，用于存储在IO队列中等待的任务。

第15\~19行，声明了IO队列的各种函数。

在实现IO队列之前需要先思考一个问题：当任务需要在IO队列上等待时，就需要主动发起0x20中断以切换到一个新任务。考察Int.s中的intTimer函数可以发现，其核心逻辑如下：

1. 将当前任务添加到任务队列中
2. 从任务队列中取出一个新任务并切换

在此之前，由于任务要么出现在任务队列中，要么出现在退出队列中，所以上述逻辑没有任何问题。但引入了等待队列后，对于需要等待的任务，其任务切换应该是这样的：

1. 将当前任务添加到等待队列中
2. 从任务队列中取出一个新任务并切换

也就是说，现在的intTimer函数已经不能硬编码"将当前任务添加到任务队列中"了，TCB应负责提供这一信息。

请看本章代码16/Task.h。

第12行，新增了数据成员taskQueue，其用于控制：当任务切换时，当前任务应该被添加到哪个队列中。

接下来，请看本章代码16/Task.hpp。

对于内核任务以及新任务来说，taskQueue数据成员的初始值都应该是任务队列。因此，第43行，第93行，第136行，分别添加了对taskQueue数据成员的初始化。

接下来，请看本章代码16/Int.s。

第128行，将原先的push taskQueue修改为push dword [eax + 16]，[eax + 16]即为TCB中新增的taskQueue数据成员。

接下来，请看本章代码16/IOQueue.hpp。

ioqueueInit函数用于初始化IO队列。当this->__leftIdx == this->__rightIdx时，表示IO队列为空。

ioqueueEmpty函数用于判断IO队列是否为空。

ioqueueFull函数用于判断IO队列是否已满。如果快指针已经紧跟在慢指针后面，就说明IO队列已满。

ioqueuePush函数用于向IO队列添加字符。

第31行，判断IO队列是否已满。如果IO队列已满，则放弃此次添加。

第33\~34行，将新添加的字符写入快指针处，然后将快指针向右移动一格。

将一个字符写入IO队列后，不管写入是否成功，IO队列都一定非空。所以，如果先前有在IO队列上等待的任务，此时就是唤醒它的时机。

第37\~42行的代码需要配合ioqueuePop函数的实现阅读。

第37行，判断是否有任务在IO队列上等待。

第39行，从IO队列的等待队列中取出一个TCB。

第40行，将取出的TCB中的taskQueue数据成员重新恢复为任务队列。

第41行，将取出的TCB重新添加到任务队列。

ioqueuePop函数用于从IO队列中取出一个字符。

第48行，判断IO队列是否为空。如果IO队列为空，就说明暂时还无法取出字符。

第50\~52行，当前任务的TCB中的taskQueue数据成员修改为IO队列的等待队列，然后主动发起任务切换。这样一来，当前任务就会被添加到IO队列的等待队列中，任务队列中的下一个任务将开始执行。

第48行为什么要用while而不是if呢？这是因为，当唤醒任务时（第39\~41行），只是将任务重新添加到任务队列中，而不是使任务瞬间开始继续执行。这就意味着，如果这个任务运气不好的话，IO队列中新添加的字符又会被其他任务先行抢走。此时，如果不使用while，任务就会在被唤醒后直接向下执行，而此时的IO队列是空的，这就造成了错误。这就是并行编程领域非常有名的伪唤醒（Spurious wakeup）问题。

16.2.2 读取字符串的系统调用的实现

请看本章代码Keyboard.h。

第6行，声明了keyboardInit函数。

第8行，声明了inputStr函数。

接下来，请看本章代码Keyboard.hpp。

第8行，定义了供键盘驱动使用的IO队列。

keyboardInit函数是本章新增的函数，其用于初始化键盘IO队列。

IO队列的实现属于典型的生产者-消费者模型。生产者向IO队列添加字符，并唤醒在IO队列上等待的消费者；消费者从IO队列中读取字符，并在无法读取时在IO队列上等待。

具体来说，IO队列的生产者是键盘。当键盘中断发生时，键盘上按下的键被添加到IO队列中。

第48行，将键盘上按下的键添加到IO队列中。这个字符应该如何使用，由取出它的任务决定。

IO队列的消费者是inputStr函数，这是一个系统调用函数。

第56行，循环strLen - 1次，这是因为输入字符串的最后一个字符应强制设为0。

第58行，从IO队列中取出一个字符。这步操作可能导致任务等待。

第60行，将取出的字符写入结果字符串。

第62\~67行，判断当前字符是否是\n，如果是，则意味着输入字符串已经结束了，此行为和C语言标准库的gets函数是一致的。此时，应将结果字符串的下一个字符置0，以终止字符串；然后打印换行符并终止循环。

第68\~75行，判断当前字符是否是\b。\b的处理需要注意溢出问题：仅当idx大于0时，才能进行一次退格。

第76\~80行，处理普通字符。

第83行，将输入字符串的最后一个字符置0。

接下来，请看本章代码16/Int.s。

第6行，声明了外部链接的inputStr函数。

第269行，在系统调用表中安装inputStr函数，其系统调用号为1。

接下来，请看本章代码16/Kernel.c。

第19行，调用keyboardInit函数，完成键盘驱动的初始化。

16.3 测试

本章使用的测试任务是16/Test.c。其先读取字符串，再打印读取到的字符串。