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HIT-OSLab7

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HIT-OSLab7

实验目的：

  • 加深对操作系统设备管理基本原理的认识，了解键盘中断、扫描码等概念
  • 通过实践掌握 Linux-0.11 对键盘终端和显示器终端的处理过程

实验内容：

  • 本实验的基本内容是修改 Linux-0.11 的终端设备处理代码，对键盘输入和字符显示进行非常规的控制
  • 在初始状态，一切如常，用户按一次 F12 后，把应用程序向终端输出所有字母都替换为 *
  • 再按一次 F12，又恢复正常
  • 第三次按 F12，再进行输出替换，依此类推

实验过程

终端设备是计算机系统中与用户交互的硬件设备，通常使用键盘和显示器来接收用户的输入和输出操作

在 Linux 系统中，每个终端设备都对应一个 tty_struct 结构体实例，用于存储该终端设备的状态、配置信息以及与终端相关的数据结构

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struct tty_struct
{
	struct termios termios;		/* 存储终端设备的属性 */
	int pgrp;				   /* 存储该终端设备所属的进程组 */
	int stopped;			   /* 表示该终端设备是否处于停止状态 */
	void (*write)(struct tty_struct *tty);	/* 处理终端设备的写操作 */
	struct tty_queue read_q;	/* 存储终端设备的输入缓冲区(来自键盘输入的数据) */
	struct tty_queue write_q;	/* 存储终端设备的输出缓冲区(屏幕将会输出的数据) */
	struct tty_queue secondary;	/* 存储终端设备的次要缓冲区(来自网络或其他设备的输入数据) */
};
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struct tty_queue
{
	unsigned long data;
	unsigned long head;			/* 存储队列中的头指针 */
	unsigned long tail;			/* 存储队列中的尾指针 */
	struct task_struct *proc_list;	/* 指向一个任务结构体列表 */
	char buf[TTY_BUF_SIZE];		/* 存储队列中的数据缓冲区 */
};

扫描码是指计算机在接收用户的输入时，将用户的输入转换为计算机能够理解的形式，在键盘上，每个键都对应一个唯一的扫描码，这个扫描码可以用来识别用户按下的是哪个键

在操作系统中，键盘中断通常是通过中断处理程序（Interrupt Handler）来实现的

  • 当用户按下键盘上的键时，计算机系统会向操作系统发送一个中断信号，操作系统接收到这个信号后，会调用相应的中断处理程序来处理这个中断事件

下面是键盘中断的处理程序代码：

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keyboard_interrupt:
	pushl %eax
	pushl %ebx
	pushl %ecx
	pushl %edx
	push %ds
	push %es
	movl $0x10,%eax /* eax中是扫描码 */
	mov %ax,%ds
	mov %ax,%es
	xor %al,%al		
	inb $0x60,%al
	cmpb $0xe0,%al
	je set_e0
	cmpb $0xe1,%al
	je set_e1
	call key_table(,%eax,4) /* 调用键处理程序"ker_table+eax*4" */
	movb $0,e0
e0_e1:	inb $0x61,%al
	jmp 1f
1:	jmp 1f
1:	orb $0x80,%al
	jmp 1f
1:	jmp 1f
1:	outb %al,$0x61
	jmp 1f
1:	jmp 1f
1:	andb $0x7F,%al
	outb %al,$0x61
	movb $0x20,%al
	outb %al,$0x20
	pushl $0
	call do_tty_interrupt /* 将收到的数据复制成规范模式数据并存放在规范字符缓冲队列中 */
	addl $4,%esp
	pop %es
	pop %ds
	popl %edx
	popl %ecx
	popl %ebx
	popl %eax
	iret
set_e0:	movb $1,e0
	jmp e0_e1
set_e1:	movb $2,e0
	jmp e0_e1

其中 key_table 存储有各个扫描码的处理程序：

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key_table:
	.long none,do_self,do_self,do_self	/* 00-03 s0 esc 1 2 */
	.long do_self,do_self,do_self,do_self	/* 04-07 3 4 5 6 */
	.long do_self,do_self,do_self,do_self	/* 08-0B 7 8 9 0 */
	.long do_self,do_self,do_self,do_self	/* 0C-0F + ' bs tab */
        ......
	.long func,func,func,func		/* 3C-3F f2 f3 f4 f5 */
	.long func,func,func,func		/* 40-43 f6 f7 f8 f9 */
	.long func,num,scroll,cursor		/* 44-47 f10 num scr home */
	.long cursor,cursor,do_self,cursor	/* 48-4B up pgup - left */
	.long cursor,cursor,do_self,cursor	/* 4C-4F n5 right + end */
	.long cursor,cursor,cursor,cursor	/* 50-53 dn pgdn ins del */
	.long none,none,do_self,func		/* 54-57 sysreq ? < f11 */
	.long func,none,none,none		/* 58-5B f12 ? ? ? */
        ......
  • 我们可以发现 F12 会调用 func 函数

核心思路就是添加一个 F12 标记位，我们可以选择将 func 替换为我们需要的函数，其目的是修改该标记位以记录用户是否输入了 F12

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int f12_key = 0;
void change_f12_key(void)
{
	f12_key ^= 1;
}
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.long change_f12_key,none,none,none		/* 58-5B f12 ? ? ? */

函数 con_write 用于将字符串写入终端设备：

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void con_write(struct tty_struct * tty)
{
	int nr;
	char c;

	nr = CHARS(tty->write_q);
	while (nr--) {
		GETCH(tty->write_q,c);
		switch(state) {
			case 0:
				if (c>31 && c<127) {
					if (x>=video_num_columns) {
						x -= video_num_columns;
						pos -= video_size_row;
						lf();
					}
                    /* 将write_q的字符放入显存的汇编代码 */
					__asm__("movb attr,%%ah\n\t"
						"movw %%ax,%1\n\t"
						::"a" (c),"m" (*(short *)pos)
						);
					pos += 2;
					x++;
				} else if (c==27)
  • 其 case 0 用于处理 asicc 在 (31,127) 范围的字符
  • 我们需要在这段代码前检查 f12_key 并将字符设置为 *
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void con_write(struct tty_struct * tty)
{
	int nr;
	char c;

	nr = CHARS(tty->write_q);
	while (nr--) {
		GETCH(tty->write_q,c);
		switch(state) {
			case 0:
				if (c>31 && c<127) {
					if (x>=video_num_columns) {
						x -= video_num_columns;
						pos -= video_size_row;
						lf();
					}
					if(f12_key == 1 && ( (c >= 48 && c<= 57) || (c>=65 && c<=90) || (c>=97 && c<=122) ) )
						c = '*';

					__asm__("movb attr,%%ah\n\t"
						"movw %%ax,%1\n\t"
						::"a" (c),"m" (*(short *)pos)
						);
					pos += 2;
					x++;
				} else if (c==27)

最终效果如下：