計算機實驗室之樹莓派：課程 10 輸入01

歡迎進入輸入課程系列。在本系列，你將會學會如何使用鍵盤接收輸入給樹莓派。我們將會從揭示輸入開始本課，然後轉向更傳統的文字提示符。

這是第一堂輸入課，會教授一些關於驅動和連結的理論，同樣也包含鍵盤的知識，最後以在螢幕上顯示文字結束。

1、開始

希望你已經完成了 OK 系列課程，這會對你完成螢幕系列課程很有幫助。很多 OK 課程上的檔案會被使用而不會做解釋。如果你沒有這些檔案，或者希望使用一個正確的實現，可以從該堂課的下載頁下載模板。如果你使用你自己的實現，請刪除呼叫了 SetGraphicsAddress 之後全部的程式碼。

2、USB

如你所知，樹莓派 B 型有兩個 USB 介面，通常用來連線一個滑鼠和一個鍵盤。這是一個非常好的設計決策，USB 是一個非常通用的介面，很多種裝置都可以使用它。這就很容易為它設計新外設，很容易為它編寫裝置驅動，而且通過 USB 集線器可以非常容易擴充套件。還能更好嗎？當然是不能，實際上對一個作業系統開發者來說，這就是我們的噩夢。USB 標準太大了。我是說真的，在你思考如何連線裝置之前，它的文件將近 700 頁。

USB 標準的設計目的是通過複雜的軟體來簡化硬體互動。

我和很多愛好作業系統的開發者談過這些，而他們全部都說幾句話：不要抱怨。“實現這個需要花費很久時間”，“你不可能寫出關於 USB 的教學”，“收益太小了”。在很多方面，他們是對的，我不可能寫出一個關於 USB 標準的教學，那得花費幾週時間。我同樣不能教授如何為全部所有的裝置編寫外設驅動，所以使用自己寫的驅動是沒什麼用的。然而，即便不能做到最好，我仍然可以獲取一個正常工作的 USB 驅動，拿一個鍵盤驅動，然後教授如何在作業系統中使用它們。我開始尋找可以執行在一個甚至不知道檔案是什麼的作業系統的自由驅動，但是我一個都找不到，它們都太高層了，所以我嘗試寫一個。大家說的都對，這耗費了我幾週時間。然而我可以高興的說我做的這些工作沒有獲取作業系統以外的幫助，並且可以和滑鼠和鍵盤通訊。這絕不是完整的、高效的，或者正確的，但是它能工作。驅動是以 C 編寫的，而且有興趣的可以在下載頁找到全部原始碼。

所以，這一個教學不會是 USB 標準的課程（一點也沒有）。實際上我們將會看到如何使用其他人的程式碼。

3、連結

既然我們要引進外部程式碼到作業系統，我們就需要談一談連結linking。連結是一種過程，可以在程式或者作業系統中連結函數。這意味著當一個程式生成之後，我們不必要編寫每一個函數（幾乎可以肯定，實際上並非如此）。連結就是我們做的用來把我們程式和別人程式碼中的函數連結在一起。這個實際上已經在我們的作業系統進行了，因為連結器把所有不同的檔案連結在一起，每個都是分開編譯的。

連結允許我們製作可重用的程式碼庫，所有人都可以在他們的程式中使用。

有兩種連結方式：靜態和動態。靜態連結就像我們在製作自己的作業系統時進行的。連結器找到全部函數的地址，然後在連結結束前，將這些地址都寫入程式碼中。動態連結是在程式“完成”之後。當程式載入後，動態連結器檢查程式，然後在作業系統的庫找到所有不在程式裡的函數。這就是我們的作業系統最終應該能夠完成的一項工作，但是現在所有東西都將是靜態連結的。

程式經常呼叫呼叫庫，這些庫會呼叫其它的庫，直到最終呼叫了我們寫的作業系統的庫。

我編寫的 USB 驅動程式適合靜態編譯。這意味著我給你的是每個檔案的編譯後的程式碼，然後連結器找到你的程式碼中的那些沒有實現的函數，就將這些函數連結到我的程式碼。在本課的 下載頁 是一個 makefile 和我的 USB 驅動，這是接下來需要的。下載並使用這個 makefile 替換你的程式碼中的 makefile， 同事將驅動放在和這個 makefile 相同的資料夾。

4、鍵盤

為了將輸入傳給我們的作業系統，我們需要在某種程度上理解鍵盤是如何實際工作的。鍵盤有兩種按鍵：普通鍵和修飾鍵。普通按鍵是字母、數位、功能鍵，等等。它們構成了鍵盤上幾乎全部按鍵。修飾鍵是多達 8 個的特殊鍵。它們是左 shift、右 shift、左 ctrl、右 ctrl、左 alt、右 alt、左 GUI 和右 GUI。鍵盤可以檢測出所有的組合中那個修飾鍵被按下了，以及最多 6 個普通鍵。每次一個按鈕變化了（例如，是按下了還是釋放了），鍵盤就會報告給電腦。通常，鍵盤也會有 3 個 LED 燈，分別指示大寫鎖定，數位鍵鎖定，和捲動鎖定，這些都是由電腦控制的，而不是鍵盤自己。鍵盤也可能有更多的燈，比如電源、靜音，等等。

對於標準 USB 鍵盤，有一個按鍵值的表，每個鍵盤按鍵都一個唯一的數位，每個可能的 LED 也類似。下面的表格列出了前 126 個值。

表 4.1 USB 鍵盤值

完全列表可以在HID 頁表 1.12的 53 頁，第 10 節找到。

5、車輪後的螺母

通常，當你使用其他人的程式碼，他們會提供一份自己程式碼的總結，描述程式碼都做了什麼，粗略介紹了是如何工作的，以及什麼情況下會出錯。下面是一個使用我的 USB 驅動的相關步驟要求。

這些總結和程式碼的描述組成了一個 API - 應用程式產品介面。

表 5.1 CSUD 中和鍵盤相關的函數

有幾種方法返回“返回值”。這些都是 C 程式碼的老生常談了，就是用數位代表函數呼叫發生了什麼。通常情況， 0 總是代表操作成功。下面的是驅動用到的返回值。

返回值是一種處理錯誤的簡單方法，但是通常更優雅的解決途徑會出現於更高層次的程式碼。

表 5.2 - CSUD 返回值

驅動的通常用法如下：

1. 呼叫 UsbInitialise
2. 呼叫 UsbCheckForChange
3. 呼叫 KeyboardCount
4. 如果返回 0，重複步驟 2。
5. 針對你支援的每個鍵盤：
   1. 呼叫 KeyboardGetAddress
   2. 呼叫 KeybordGetKeyDownCount
   3. 針對每個按下的按鍵：
      1. 檢查它是否已經被按下了
      2. 儲存按下的按鍵
   4. 針對每個儲存的按鍵：
      1. 檢查按鍵是否被釋放了
      2. 如果釋放了就刪除
6. 根據按下/釋放的案件執行操作
7. 重複步驟 2

最後，你可以對鍵盤做所有你想做的任何事了，而這些方法應該允許你存取鍵盤的全部功能。在接下來的兩節課，我們將會著眼於完成文字終端的輸入部分，類似於大部分的命令列電腦，以及命令的解釋。為了做這些，我們將需要在更有用的形式下得到一個鍵盤輸入。你可能注意到我的驅動是（故意的）沒有太大幫助，因為它並沒有方法來判斷是否一個按鍵剛剛按下或釋放了，它只有方法來判斷當前那個按鍵是按下的。這就意味著我們需要自己編寫這些方法。

6、可用更新

首先，讓我們實現一個 KeyboardUpdate 方法，檢查第一個鍵盤，並使用輪詢方法來獲取當前的輸入，以及儲存最後一個輸入來對比。然後我們可以使用這個資料和其它方法來將掃描碼轉換成按鍵。這個方法應該按照下面的說明準確操作：

重複檢查更新被稱為“輪詢”。這是針對驅動 IO 中斷而言的，這種情況下裝置在準備好後會發一個信號。

1. 提取一個儲存好的鍵盤地址（初始值為 0）。
2. 如果不是 0 ，進入步驟 9.
3. 呼叫 UsbCheckForChange 檢測新鍵盤。
4. 呼叫 KeyboardCount 檢測有幾個鍵盤線上。
5. 如果返回 0，意味著沒有鍵盤可以讓我們操作，只能退出了。
6. 呼叫 KeyboardGetAddress 引數是 0，獲取第一個鍵盤的地址。
7. 儲存這個地址。
8. 如果這個值是 0，那麼退出，這裡應該有些問題。
9. 呼叫 KeyboardGetKeyDown 6 次，獲取每次按鍵按下的值並儲存。
10. 呼叫 KeyboardPoll
11. 如果返回值非 0，進入步驟 3。這裡應該有些問題（比如鍵盤斷開連線）。

要儲存上面提到的值，我們將需要下面 .data 段的值。

.section .data.align 2KeyboardAddress:.int 0KeyboardOldDown:.rept 6.hword 0.endr

.hword num 直接將半字的常數插入檔案。

.rept num [commands] .endr 複製 `commands` 命令到輸出 num 次。

試著自己實現這個方法。對此，我的實現如下：

1、我們載入鍵盤的地址。

.section .text.globl KeyboardUpdateKeyboardUpdate:push {r4,r5,lr}kbd .req r4ldr r0,=KeyboardAddressldr kbd,[r0]

2、如果地址非 0，就說明我們有一個鍵盤。呼叫 UsbCheckForChanges 慢，所以如果一切正常，我們要避免呼叫這個函數。

teq kbd,#0bne haveKeyboard$

3、如果我們一個鍵盤都沒有，我們就必須檢查新裝置。

getKeyboard$:bl UsbCheckForChange

4、如果有新鍵盤新增，我們就會看到這個。

bl KeyboardCount

5、如果沒有鍵盤，我們就沒有鍵盤地址。

teq r0,#0ldreq r1,=KeyboardAddressstreq r0,[r1]beq return$

6、讓我們獲取第一個鍵盤的地址。你可能想要支援更多鍵盤。

mov r0,#0bl KeyboardGetAddress

7、儲存鍵盤地址。

ldr r1,=KeyboardAddressstr r0,[r1]

8、如果我們沒有鍵盤地址，這裡就沒有其它活要做了。

teq r0,#0beq return$mov kbd,r0

9、迴圈查詢全部按鍵，在 KeyboardOldDown 儲存下來。如果我們詢問的太多了，返回 0 也是正確的。

saveKeys$:  mov r0,kbd  mov r1,r5  bl KeyboardGetKeyDown    ldr r1,=KeyboardOldDown  add r1,r5,lsl #1  strh r0,[r1]  add r5,#1  cmp r5,#6  blt saveKeys$

10、現在我們得到了新的按鍵。

mov r0,kbdbl KeyboardPoll

11、最後我們要檢查 KeyboardOldDown 是否工作了。如果沒工作，那麼我們可能是斷開連線了。

teq r0,#0bne getKeyboard$return$:pop {r4,r5,pc}.unreq kbd

有了我們新的 KeyboardUpdate 方法，檢查輸入變得簡單，固定週期呼叫這個方法就行，而它甚至可以檢查鍵盤是否斷開連線，等等。這是一個有用的方法，因為我們實際的按鍵處理會根據條件不同而有所差別，所以能夠用一個函數調以它的原始方式獲取當前的輸入是可行的。下一個方法我們希望它是 KeyboardGetChar，簡單的返回下一個按下的按鈕的 ASCII 字元，或者如果沒有按鍵按下就返回 0。這可以擴充套件到支援如果它按下一個特定時間當做多次按下按鍵，也支援鎖定鍵和修飾鍵。

如果我們有一個 KeyWasDown 方法可以使這個方法有用起來，如果給定的掃描程式碼不在 KeyboardOldDown 值中，它只返回 0，否則返回一個非零值。你可以自己嘗試一下。與往常一樣，可以在下載頁面找到解決方案。

7、查詢表

KeyboardGetChar 方法如果寫得不好，可能會非常複雜。有 100 多種掃描碼，每種程式碼都有不同的效果，這取決於 shift 鍵或其他修飾符的存在與否。並不是所有的鍵都可以轉換成一個字元。對於一些字元，多個鍵可以生成相同的字元。在有如此多可能性的情況下，一個有用的技巧是查詢表。查詢表與物理意義上的查詢表非常相似，它是一個值及其結果的表。對於一些有限的函數，推匯出答案的最簡單方法就是預先計算每個答案，然後通過檢索返回正確的答案。在這種情況下,我們可以在記憶體中建立一個序列的值，序列中第 n 個值就是掃描程式碼 n 的 ASCII 字元程式碼。這意味著如果一個鍵被按下，我們的方法只需要檢測到，然後從表中檢索它的值。此外，我們可以為當按住 shift 鍵時的值單獨建立一個表，這樣按下 shift 鍵就可以簡單地換個我們用的表。

在程式設計的許多領域，程式越大，速度越快。查詢表很大，但是速度很快。有些問題可以通過查詢表和普通函數的組合來解決。

在 .section .data 命令之後，複製下面的表：

.align 3KeysNormal:    .byte 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 'a', 'b', 'c', 'd'    .byte 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l'    .byte 'm', 'n', 'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't'    .byte 'u', 'v', 'w', 'x', 'y', 'z', '1', '2'    .byte '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '0'    .byte '\n', 0x0, '\b', '\t', ' ', '-', '=', '['    .byte ']', '\\\', '#', ';', '\'', '`', ',', '.'    .byte '/', 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0    .byte 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0    .byte 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0    .byte 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, '/', '*', '-', '+'    .byte '\n', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7'    .byte '8', '9', '0', '.', '\\\', 0x0, 0x0, '='.align 3KeysShift:    .byte 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 'A', 'B', 'C', 'D'    .byte 'E', 'F', 'G', 'H', 'I', 'J', 'K', 'L'    .byte 'M', 'N', 'O', 'P', 'Q', 'R', 'S', 'T'    .byte 'U', 'V', 'W', 'X', 'Y', 'Z', '!', '"'    .byte '£', '$', '%', '^', '&', '*', '(', ')'    .byte '\n', 0x0, '\b', '\t', ' ', '_', '+', '{'    .byte '}', '|', '~', ':', '@', '¬', '<', '>'    .byte '?', 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0    .byte 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0    .byte 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0    .byte 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, '/', '*', '-', '+'    .byte '\n', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7'    .byte '8', '9', '0', '.', '|', 0x0, 0x0, '='

這些表直接將前 104 個掃描碼對映到 ASCII 字元作為一個位元組表。我們還有一個單獨的表來描述 shift 鍵對這些掃描碼的影響。我使用 ASCII null 字元（0）表示所有沒有直接對映的 ASCII 鍵（例如功能鍵）。退格對映到 ASCII 退格字元（8 表示 \b），enter 對映到 ASCII 新行字元（10 表示 \n）， tab 對映到 ASCII 水平製表符（9 表示 \t）。

.byte num 直接插入位元組常數 num 到檔案。

.

大部分的組合器和編譯器識別跳脫序列；如 \t 這樣的字元序列會插入該特殊字元。

KeyboardGetChar 方法需要做以下工作：

1. 檢查 KeyboardAddress 是否返回 0。如果是，則返回 0。
2. 呼叫 KeyboardGetKeyDown 最多 6 次。每次：
   1. 如果按鍵是 0，跳出迴圈。
   2. 呼叫 KeyWasDown。 如果返回是，處理下一個按鍵。
   3. 如果掃描碼超過 103，進入下一個按鍵。
   4. 呼叫 KeyboardGetModifiers
   5. 如果 shift 是被按著的，就載入 KeysShift 的地址，否則載入 KeysNormal 的地址。
   6. 從表中讀出 ASCII 碼值。
   7. 如果是 0，進行下一個按鍵，否則返回 ASCII 碼值並退出。
3. 返回 0。

試著自己實現。我的實現展示在下面：

1、簡單的檢查我們是否有鍵盤。

.globl KeyboardGetCharKeyboardGetChar:ldr r0,=KeyboardAddressldr r1,[r0]teq r1,#0moveq r0,#0moveq pc,lr

2、r5 將會儲存按鍵的索引，r4 儲存鍵盤的地址。

push {r4,r5,r6,lr}kbd .req r4key .req r6mov r4,r1mov r5,#0keyLoop$:  mov r0,kbd  mov r1,r5  bl KeyboardGetKeyDown

2.1、 如果掃描碼是 0，它要麼意味著有錯，要麼說明沒有更多按鍵了。

teq r0,#0beq keyLoopBreak$

2.2、如果按鍵已經按下了，那麼他就沒意義了，我們只想知道按下的按鍵。

mov key,r0bl KeyWasDownteq r0,#0bne keyLoopContinue$

2.3、如果一個按鍵有個超過 104 的掃描碼，它將會超出我們的表，所以它是無關的按鍵。

cmp key,#104bge keyLoopContinue$

2.4、我們需要知道修飾鍵來推斷字元。

mov r0,kbdbl KeyboardGetModifiers

2.5、當將字元更改為其 shift 變體時，我們要同時檢測左 shift 鍵和右 shift 鍵。記住，tst 指令計算的是邏輯和，然後將其與 0 進行比較，所以當且僅當移位位都為 0 時，它才等於 0。

tst r0,#0b00100010ldreq r0,=KeysNormalldrne r0,=KeysShift

2.6、現在我們可以從查詢表載入按鍵了。

ldrb r0,[r0,key]

2.7、如果查詢碼包含一個 0，我們必須繼續。為了繼續，我們要增加索引，並檢查是否到 6 次了。

teq r0,#0bne keyboardGetCharReturn$keyLoopContinue$:add r5,#1cmp r5,#6blt keyLoop$

3、在這裡我們返回我們的按鍵，如果我們到達 keyLoopBreak$ ，然後我們就知道這裡沒有按鍵被握住，所以返回 0。

keyLoopBreak$:mov r0,#0keyboardGetCharReturn$:pop {r4,r5,r6,pc}.unreq kbd.unreq key

8、記事本作業系統

現在我們有了 KeyboardGetChar 方法，可以建立一個作業系統，只列印出使用者對著螢幕所寫的內容。為了簡單起見，我們將忽略所有非常規的鍵。在 main.s，刪除 bl SetGraphicsAddress 之後的所有程式碼。呼叫 UsbInitialise，將 r4 和 r5 設定為 0，然後迴圈執行以下命令:

1. 呼叫 KeyboardUpdate
2. 呼叫 KeyboardGetChar
3. 如果返回 0，跳轉到步驟 1
4. 複製 r4 和 r5 到 r1 和 r2 ，然後呼叫 DrawCharacter
5. 把 r0 加到 r4
6. 如果 r4 是 1024，將 r1 加到 r5，然後設定 r4 為 0。
7. 如果 r5 是 768，設定 r5 為0
8. 跳轉到步驟 1

現在編譯，然後在樹莓派上測試。你幾乎可以立即開始在螢幕上輸入文字。如果沒有工作，請參閱我們的故障排除頁面。

當它工作時，祝賀你，你已經實現了與計算機的介面。現在你應該開始意識到，你幾乎已經擁有了一個原始的作業系統。現在，你可以與計算機互動、發出命令，並在螢幕上接收反饋。在下一篇教學輸入02中，我們將研究如何生成一個全文字終端，使用者在其中輸入命令，然後計算機執行這些命令。