IRQ1 handler、ring buffer 与回显接线

IRQ1 handler:从一个字节到一个 KeyEvent

控制器就绪后,每按一次键,中断就会把控制权交给 Keyboard::irq1_handler。它的活是:从 0x60 把那个字节读出来,翻译成一个结构完整的 KeyEvent,塞进队列。

先看它产出的 KeyEvent 长什么样(keyboard.hpp):

cpp

struct KeyEvent {
    char    ascii;     // 对应的 ASCII 字符(不可打印则为 0)
    uint8_t scancode;  // 原始 set1 扫描码
    bool    pressed;   // true=按下(make), false=松开(break)
    bool    shift, ctrl, alt;  // 此刻这三个修饰键的状态
};

一个原始字节,被翻译成了「是什么键、按还是放、修饰键啥状态、有没有对应 ASCII」这么一个完整的事件。翻译过程:

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cpp

void Keyboard::irq1_handler(InterruptFrame* /*frame*/) {
    uint8_t sc = io_inb(Ps2Port::DATA);          // 从 0x60 读这一字节

    if (sc == ScanCode::EXTENDED) {              // 0xE0: 扩展键前缀
        PIC::send_eoi(1);
        return;                                  // 这版直接丢弃, 不处理方向键等
    }

    bool    pressed   = (sc & 0x80) == 0;        // bit7=0 是按下, bit7=1 是松开
    uint8_t make_code = sc & 0x7F;               // 去掉 bit7, 得到「是哪个键」

    // 跟踪修饰键(无论按下还是松开都要更新状态)
    if (make_code == ScanCode::LSHIFT || make_code == ScanCode::RSHIFT) shift_held_ = pressed;
    if (make_code == ScanCode::LCTRL)  ctrl_held_  = pressed;
    if (make_code == ScanCode::LALT)   alt_held_   = pressed;

    KeyEvent ev{};
    ev.scancode = sc;  ev.pressed = pressed;
    ev.shift = shift_held_;  ev.ctrl = ctrl_held_;  ev.alt = alt_held_;
    ev.ascii = 0;

    // 只有「按下」且码在表内, 才查 ASCII
    if (pressed && make_code < SCAN_TABLE_SIZE)
        ev.ascii = shift_held_ ? kScToUpper[make_code] : kScToLower[make_code];

    enqueue(ev);
    PIC::send_eoi(1);                            // ← 别忘了, 调试现场专门讲
}

几个关键判断。(sc & 0x80) == 0 区分按下和松开——这正是 set 1 的好处:松开码就是按下码或上 0x80,一个位运算搞定。make_code = sc & 0x7F 把那个区分用的 bit7 抹掉,剩下的就是「这是哪个键」的编号(比如 0x1E 是 a 键),这个编号才是去查表的索引。

修饰键的处理值得留意:Shift/Ctrl/Alt 是持续按住才有意义的,不是「按一下产生一个字符」。所以 handler 每次见到它们的 make/break 码,不产生 ASCII,而是更新三个全局状态位 shift_held_/ctrl_held_/alt_held_。之后任何普通键的事件里,ev.shift 这些字段反映的就是「按这个键的瞬间,修饰键是不是被按着」——这就是为什么 Shift+a 能出 A。

ASCII 翻译用的是两张数据驱动的查找表,而不是一串 if/switch:

cpp

static constexpr char kScToLower[128] = { /* 0x1E 位置是 'a', 0x30 是 'b', ... */ };
static constexpr char kScToUpper[128] = { /* 0x1E 位置是 'A', 0x02 是 '!', ... */ };

ev.ascii = shift_held_ ? kScToUpper[make_code] : kScToLower[make_code];

把扫描码当数组下标,直接查出 ASCII——make_code 是 0x1E 就取数组第 0x1E 项,正好是 'a'(小写表)或 'A'(大写表)。两张表分别覆盖「没按 Shift」和「按了 Shift」两种情况(数字键 1 在大写表里就是 !,2 就是 @,以此类推)。用查找表而不是 switch,是因为键盘映射本质就是「键码 → 字符」的一张映射表,数组下标就是最快的查法,而且表是 constexpr,编译期就生成、进了 .rodata,运行时零开销。不可打印的键(功能键、方向键)在表里就是 0,自然就不会产生 ASCII。

ring buffer:ISR 生产、主循环消费

handler 解码出 KeyEvent 之后,自己不回显——回显是慢活(I/O、画字),不能待在中断上下文里干。它只做一件事:enqueue(ev),把事件塞进一个环形缓冲区,然后赶紧返回。慢活留给主循环。

这个 ring buffer 是经典的「定长数组 + 头尾两个游标」(keyboard.hpp 里 KEY_QUEUE_SIZE = 64):

cpp

void Keyboard::enqueue(const KeyEvent& ev) {
    uint32_t next = (tail_ + 1) % KEY_QUEUE_SIZE;
    if (next == head_) return;        // 满了 → 直接丢弃, 不覆盖
    queue_[tail_] = ev;
    tail_ = next;
}
bool Keyboard::poll(KeyEvent& out) {
    if (head_ == tail_) return false; // 空 → 返回 false
    out = queue_[head_];
    head_ = (head_ + 1) % KEY_QUEUE_SIZE;
    return true;
}

head_ 是消费位置(主循环读到哪),tail_ 是生产位置(handler 写到哪)。head_ == tail_ 表示空;(tail_+1) % size == head_ 表示满——注意这里故意留了一个空位不用,这是环形缓冲区判断「满」的标准技巧:如果不留空位,满的时候 head_ == tail_,就和「空」撞车了,分不清。留一个空位,满和空就有了不同的判据。满了怎么办?enqueue 选择丢弃新事件(不覆盖旧数据)——对键盘输入来说,丢一个「你敲太快」的键,比覆盖掉一个还没处理的键更合理。

这里有个设计取舍值得点一句:这个 buffer 没有任何锁。在中断上下文写 tail_、在主循环读 head_,看起来是经典的竞态。为什么此刻敢不加锁?因为这是单核系统、而且 IRQ1 不会重入(一个 IRQ1 没处理完 EOI,CPU 不会再接受同级中断),「handler 在写」和「主循环在读」在时间上被天然隔开了——它们不会真的同时执行。等以后上了多核、或者允许中断嵌套,这个无锁假设就不成立了,到时候得加锁或用无锁环形队列。把「为什么现在不用锁」想清楚,比无脑加锁更值得。

把 handler 挂上 IRQ1,再把回显接上 console

驱动写好了,还得把它接进中断体系,并接到主循环。接线点在 interrupts.S,一行之差:

asm

 ISR_NOERRCODE irq0_stub,  pit_irq0_handler     /* IRQ0(0x20): PIT Timer */
-ISR_NOERRCODE irq1_stub,  irq_default_handler   /* IRQ1(0x21): Keyboard */
+ISR_NOERRCODE irq1_stub,  keyboard_irq1_handler /* IRQ1(0x21): Keyboard */

irq1_stub 是 IDT 里 vector 0x21 那一项指向的中断入口桩,它负责保存现场,然后调一个 C 函数。011 的时候它调的是什么都不干的 irq_default_handler;这一章把它换成了我们的 keyboard_irq1_handler(那个 extern "C" 的 C 桥,转调 Keyboard::irq1_handler)。注意这里 C 函数名得和汇编里写的一致,且要 extern "C" 避免 C++ 的名字修饰——这种 C/汇编边界上的符号匹配,错一个字符就是链接错误或跳到野地址。

光挂上 handler 还不够,得让 PIC 允许 IRQ1 通过,这就是 main.cpp 里的接线:

cpp

Keyboard::init();            // Step 10: 初始化 PS/2 控制器

PIC::unmask(0);              // Step 11: 放行 IRQ0(时钟)
PIC::unmask(1);              //         放行 IRQ1(键盘) ← 011 时只有 IRQ0
__asm__ volatile("sti");     //         开中断

KeyEvent ev;                 // Step 12: 回显循环
while (1) {
    __asm__ volatile("hlt");              // 睡到下一个中断来
    while (Keyboard::poll(ev))            // 醒来后把队列里的事件全取出来
        if (ev.pressed && ev.ascii != 0)
            console.putc(ev.ascii);       // 回显到 013 的 console(串口+屏幕)
}

PIC::unmask(1) 是关键一差——011 的时候只 unmask 了 IRQ0,IRQ1 一直被屏蔽着,键盘中断根本到不了 CPU。现在把它也放行,键盘才会真正产生中断。注意 unmask 必须在 Keyboard::init 之后(控制器得先就绪)、在 sti 之前(先配好再开中断,免得配置过程中就来中断)。

主循环那个 hlt + poll 的结构,正是设计图里画的「中断生产、主循环消费」。hlt 让 CPU 睡到下一个中断(省电,也避免空转),中断把事件塞进队列后返回,hlt 醒来,while (Keyboard::poll(ev)) 把队列里所有积压的事件一次性排空、回显。为什么用一个 while 而不是 if?因为你睡着的时候可能敲了好几个键,队列里积了好几个事件,醒来得一次取完,否则下次 hlt 前 poll 就漏掉了。

回显那一行 console.putc(ev.ascii) 把这一章和 013 缝了起来:键盘解码出的 ASCII,直接喂给 013 的 Console::putc,它自会画到 framebuffer、经 kprintf 的 sink 同步到串口。你看到字符同时出现在屏幕和串口,就是因为这条链接通了。至于 ev.pressed && ev.ascii != 0 的过滤:只回显「按下」(不回显松开,否则每个字符画两遍)且「有 ASCII」(功能键、Ctrl 组合不产生可见字符,不回显)的键。

IRQ1 handler、ring buffer 与回显接线 ​

IRQ1 handler:从一个字节到一个 KeyEvent ​

ring buffer:ISR 生产、主循环消费 ​

把 handler 挂上 IRQ1,再把回显接上 console ​

IRQ1 handler、ring buffer 与回显接线

IRQ1 handler:从一个字节到一个 KeyEvent

ring buffer:ISR 生产、主循环消费

把 handler 挂上 IRQ1,再把回显接上 console