【README】

1.本文内容总结自 B站《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.显示器是输入型外设；
3.本章主要内容是讲显示器是如何被驱动的；或操作系统是如何让用户来使用显示器的；
4.Printf是如何把字符打在显示器上的；

【1】cpu操作外设背景

1）终端设备管理

包括键盘和显示器；

【图解】
本章主要讲中断 IO设备，包括键盘和显示器；

2）如何让外设工作起来；

【图解】
1）外设工作原理：

步骤1：Cpu向外设控制器发出指令（如写命令），向外设控制器中的寄存器（或存储器）读写数据；如显卡控制器；
步骤2：写入完成后，外设控制器发出中断请求通知cpu写入完成；随后，外设控制器会根据寄存器（或存储器）的内容实际来操控外设；如显存；
步骤3：cpu在处理外设控制器中断时，可能会读数据到内存，当然还会进行其他后续处理；

补充： cpu向外设控制器发送的指令示例。

out xx, al ，其中xx是外设控制器端口，即cpu向外设端口发送命令；

2）总结：cpu让外设工作起来做3件事情

事情1：向外设控制器发送out指令；
事情2：外设控制器执行指令完成后，发出中断请求，cpu处理中断；
事情3：为了让使用外设简单，操作系统要提供一种统一的文件视图（因为各个厂商外设控制器设计不一样，如接口不一样，数据格式不一样，所以要提供统一的文件视图，或统一接口），即把外设看做一个文件；

【2】CPU操作外设

【2.1】操作外设的程序

printf 函数：就是操作外设的程序；

【图解】

1）一段操作外设的程序

// 一段操纵外设的程序 
// 打开外设对应的文件（dev，device设备） 
int fd = open("/dev/xx"); 
for (int i=0; i<10; i++) 
{write(fd, i, sizeof(int)); 
}
close(fd);

2）操作系统为用户提供统一接口：

无论什么设备都是，操作接口都是 open, read, write, close ;

3）根据设备文件找到控制器的地址，内容格式等；

不同设备对应不同的设备文件 (/dev/xxx)

3）统一的文件视图

操作系统无论操作哪种设备，都需要调用统一的文件接口（文件视图），包括open，read，write，close ；

【2.2】输出到显示器

1）Printf 函数：

Printf不是真相，printf底层调用了系统调用write 把数据写入到显存，
而write系统调用或接口最终会形成类似 out xx，al 指令发送给显存控制器；

【图解】
1）系统调用 write

// 在 linux/fs/read_write.c 中 
// fd等于1，则写到显存； fd等于2，则写到打印机（举例）
// buf 对应内存缓冲区，要写出的数据先缓存到缓冲区，然后再写出到外设，如显存；
// count 写入字节数 
int sys_write(unsigned int fd, char *buf, int count) 
{struct file* file; // fd等于1，打开显示器（显存）的文件 // current 指的是当前进程pcb file = current->filp[fd]; // 获取文件信息 inode = file -> f_inode; 
}

补充： inode

inode (index node)是指在许多“类Unix文件系统”中的一种数据结构，用于描述文件系统对象（包括文件、目录、设备文件、socket、管道等）。

2）fd=1的filp（文件指针）从哪里来？

【图解】
file = current->filp[fd];

其中fd=1；即fd=1对应到设备dev/tty0 ，而tty就是中断设备；
Open方法也是一个系统调用 sys_open ;

小结：

write(1, buf, ...) 中的1 是 open(“dev/tty0”) 产生的；
所以就形成了父进程pcb文件指针指向 dev/tty0的inode的链条；
核心就是把 dev/tty0的设备信息放入（通过open系统调用）inode，并把inode读入内存；
根据inode把数据写入外设文件；

补充：inode (index node)是一种结构体，用于描述文件信息或用于描述文件系统对象（包括文件、目录、设备文件、socket、管道等）。

3）向显存（屏幕）写出数据

【图解】
Write系统调用

// write 系统调用 
在 linux/fs/read_write.c 中 
int sys_write(unsigned int fd, char *buf, int cnt) 
{// 获取外设  /dev/tty0 的inode inode = file -> f_inode;// 判断是否字符设备； 计算机设备分为字符设备或块设备；  if (S_ISCHR( inode -> i_mode )) {// 读写字符，WIRTE 是写；// inode->i_zone[0]表示字符设备列表中的第几个设备的设备号（本例取4） ； return wr_char(WRITE, INODE->I_ZONE[0],buf, cnt) ; }
} 
// rw_char 
// 在 linux/fs/char_dev.c 中 
int rw_char(int rw, int dev, char *buf, int cnt) 
{// crw_table 表示字符设备操作的处理函数列表，其中 call_addr是函数指针； crw_ptr call_addr = crw_table[MAJOR(dev)]; call_addr(rw, dev, buf, cnt); ... 
}

4）字符设备处理函数列表 crw_table （第4个字符设备处理函数是 rw_ttyx ）

【图解】

补充：终端设备指的是键盘和显示器；其中键盘是读的，显示器是写的；
tty_write：写出数据到字符设备的核心函数；其中 tty->write_q 是把数据写入到缓冲区（队列write_q）；

4） tty_write(unsigned channel, char* buf, int nr) 写出数据的核心函数

【图解】
缓冲区写完之后，tty->wirte(tty) 把缓冲区数据刷新到显存（显卡）；

5）tty->write(*write) 把缓冲区数据刷新到显存

【图解】

con_write == console_write ；指的是显示器写函数（显存写入函数，属于显存驱动程序）；
从write_q队列或缓冲区中取出字符，并写入到显存；
Movb _attr, %%ah，把属性值送入 ax寄存器高位；
Movw %%ax, %1 把 ax 寄存器内容写入到外设控制器的存储空间（%1 指向pos指针）；其中al存储了缓冲区字符，pos指针指向了显存基址（显存与内存统一编址，在同一个内存空间中）；
con_write函数每次只能写出一个字符到显存，多个字符循环调用 con_write 即可；

补充1：

有些外设控制器的寄存器地址（或存储器地址）可以与内存地址空间统一编址；寻址用mov；
如果外设控制器的寄存器地址独立编址，寻址用out；
即 mov 和 out 是一样的，没有本质区别；
又显存特别大，通常是与内存统一编址，所以使用的是 mov汇编指令；

补充2：如何写设备驱动程序？

步骤1：写出核心的out指令；
步骤2：然后将相应函数注册到这些表上；
步骤3：创建一个dev/xxx 外设文件；这个文件和你注册表上的设备名对应上；

【小结】
操作系统中最核心的kernel内核还是cpu进程管理与内存管理；外围的设备驱动与文件系统很简单；

6）mov pos
把缓存区的数据写出到显存；

【图解】

显存的初始地址pos 是由 con_init() 函数初始化的，pos从0xA0000 开始；

6）修改 pos 显存

pos +=2
Pos 指向了显存基址；每写入一个字符到显存后，pos指针都会加2；因为写入一个字符占1个字节，字符属性占1个字节，所以是加2，往后移动2个字节；

【3】printf 整个过程

【图解】

步骤1：调用printf 库函数；
步骤2：调用系统调用 sys_open 打开终端文件 "dev/tty0" 获得设备号fd（显示器的设备号是1），和文件指针file；
步骤3：传入设备号fd 调用系统调用 sys_write；sys_write 通过文件指针找到外部设备文件的inode，判断该文件是否是字符文件；
步骤4：若是字符文件，则通过 inode 从字符设备操作函数数组 crw_table 中查询设备操作函数指针 rw_ttyx (外设文件读写函数)；
步骤5：rw_ttyx 设备操作函数通过传入的 WRITE标识调用 tty_write() 函数写出数据到外设文件；
步骤6：tty_write函数先把数据写出到缓冲区（或队列） write_q;
步骤7：写出数据到缓冲区 write_q 完成后，调用显示器写函数 con_write();
步骤8: con_write() 把缓冲区的字符循环写入到显存；写入显存命令为 mov pos,c ; pos+=2;其中 pos指针指向了显存基址；每写出一个字符，pos自加2；因为写入了2个字节，pos需要向后移动2个字节；1个字节是字符内容，1个字节是字符属性；