在这一部分中，我们将考虑关于从键盘到CPU的已按下键信息的处理方式，其中将包含很多图片，而这并不是最后一部分。我将从以用户模式编写的程序员（用户程序，Web，移动应用程序）的角度来谈论这一点，因此可能存在不准确之处。从事电子产品的人不太可能找到对自己有用的东西。第一部分在这里。接受高级程序员教育的问题是，学生在不了解上下文的情况下详细研究了脱离上下文的各个方面。高学期的几个学期可以理解物理学，可以理解电气工程，电气设备，汇编程序，操作系统，算法，系统编程以及许多其他科目，它们都已纳入了五年制标准课程。大量的细节，没有人解释这是如何适应全局的，假设五年后，学生会将其束缚在脑海中，然后他将使用.Net，永远不会碰到电子学和内核模式。我相信，不必如此详细地了解计算机的操作，就足以对技术体系中正在发生的事情有一个大致的了解。如果组成大学培训计划的人开设了驾驶学校，您将学习俄语，书法和流体力学，因为您需要与检查员进行交流，更换流体并编写说明性注释。文章中会有一些错误，因此它不适合通过专业学科的考试，但是这样做之后，您将更容易理解PC设备。在猫流量之下。键盘键是一个按钮，用于关闭触点，电流通过触点。闭合/打开机制的制作方式不必完全按下按钮，因为否则手指会很快疲劳并且键盘将不符合人体工程学。在本节中，键如下所示。右侧是施加电压的触点。可以确定键击的键盘“大脑”是微控制器，它本质上是一台微型计算机，具有程序，该程序通过向每个键施加电压来检查每个键，如果键通过，则按下该键。微控制器的腿有自己的名称，可以用代码访问，它们用于与外界通信。支腿可以控制微控制器的操作，报告芯片状态或用于读取/传输数据。程序（固件）可以用C或汇编语言编写，并通过编程器上传到微控制器。它是带有用于安装微控制器的连接器的设备，可以通过运行特殊软件的USB连接到计算机。这是程序员在现实生活中的样子：通过该程序，可以设置或测量每条腿的电压。查找被按下的键的算法是将电压施加到一条腿上，然后在另一条腿上对其进行测量，如果按下了该键，则第二条腿的电压将与输入电压大致相同。因此，在无限循环中将检查所有键。通常，键盘具有80-110个按钮，并且接触控制器（引脚）小得多。因此，他们使用诸如“键盘矩阵”之类的方法-所有键都分布在列和行中，并且算法被简化为找到与程序施加电压的行相交的列。与联系人的列/行对应关系在此处突出显示。实际上，矩阵可能看起来像这样。左边是工业，右边是自制。在伪代码上，固件程序中确定按下键的部分看起来像这样。for (int i = 0; i < COLSC; i++) {
SetPower(columns[i], 3.0 f);
for (int j = 0; j < ROWSC; j++) {
float power = GetPower(rows[j]);
if (power >= 3.0f - THRESHOLD) {
BYTE key = keys[i, j];
SendKey(key);
}
}
}
每个密钥对应一个扫描代码，它是标准化的，并且是一个8位数字，即一个字节。因此，当按下Y键时，键盘控制器将必须发送数字21（0x15），而释放时将发送数字149（0x95）。发货如何完成？当然，您使用JSON，Web服务或在进程之间发送数据，并且知道要发送数据需要序列化，即变成接收者可以反序列化的字节或格式化文本的数组，即在其地址空间中重新创建一个对象。在如此低的水平下，什么可以序列化数据？我们只需要传输1个字节（8位）。展望未来，我会说我们将一点一点地传输数据。在数学中，有一个公式可以将我们熟悉的任何十进制数转换为零和一的序列，反之亦然。该公式已在计算机技术中得到应用。在第一部分中，我偶然提到了模拟技术是利用物理定律，而数字则是在零和一的水平上工作。这意味着模拟电话将人类语音的整个频谱编码为一系列电磁波，而数字电话则使用一种芯片将芯片将人类语音转换为数字数据（例如WAV文件），然后以电磁波的形式按零和一的序列进行传输。仅在这种情况下，而不是语音的整个频谱，仅必须表示两个值-0和1.它们可以由不同长度，不同电压的波来表示，光脉冲通过光纤，纸上的黑白条纹，打孔卡上的孔。按下的Y键的二进制扫描代码看起来像00010101。我们将沿着负责数据（DATA）的微控制器支路传输它们。逻辑单元为3.3V或更高，逻辑零-电压约为0V。这是要抓住的地方-如何连续传递三个零？为此，我们需要第二条腿，我们将其称为CLOCK，当这条腿上的一个腿意味着一个比特的传输会话已经开始，而零已经结束。值（电压）的这种变化将在一定的时间间隔（例如50纳秒）内发生，因为在另一端有第二个微控制器以其自己的速度工作，并以无限循环的方式监听CLOCK和DATA连接到的支路。在此示例中，我假设键盘通过PS2连接器连接，如下所示。通过USB端口，传输算法将有所不同。如您所见，PS2端口具有称为数据，时钟的引脚。除了它们之外，还有一个触点，PS2端口控制器通过该触点将操作所需的5V电压分配给键盘和一个接地触点，该触点简单地显示在键盘主体上。不使用其他联系人。PS / 2 端口之所以称为串行总线，是因为它逐一传输位（一个位序列）。并行端口一次将数据传输到多个触点，并且可以为一个数据传输会话一次传输例如一个字节（8位）。端口，总线和协议之间有什么区别？总线就像端口一样，是一组触点（接线）以及关于如何使用它们的协议，只有端口具有用于连接外部设备的连接，并且总线用于通信主板上的组件。端口本质上是中间带有连接器的总线。协议是通过联系人进行的交互。在PS / 2的示例中，这是通过时钟和数据触点进行数据传输的顺序。
以前，Intel 8042微控制器非常普遍，既用于键盘又用作PS2端口控制器，即两个相同的芯片交换数据。 Windows中的PS2端口驱动程序称为8042prt.sys。
实际上，我们传输的不是8位，而是11位，因为数据是作为数据包或消息传输的。另外的3位指示数据的开始和结束-在开始处为0，在结束处为0 1，这种协议用于在PS2中将数据从设备传输到主机。如果您更喜欢理解代码，则它可能看起来像伪代码中的SendKey函数。它通过PS2总线发送有关按键的数据。
void SendBit(BYTE bit) {
float power = (bit != 0) ? 3.3f : 0.0f;
SetPower(DATA, power);
SetPower(CLOCK, 3.3f);
Sleep(50);
SetPower(CLOCK, 0.0f);
Sleep(50);
}
void SendData(BYTE data) {
SendBit(0);
for (BYTE i = 0; i < sizeof(BYTE); i++) {
BYTE bit = (data >> i) & 1;
SendBit(bit);
}
SendBit(0);
SendBit(1);
}
不一定总是需要手动设置每个分支上的电压以进行数据传输。在某些情况下，寄存器中存储的值会自动显示在触点上。
在图形上，这种数据传输将如下显示。时间沿X轴，电压沿Y轴。在模拟技术中，信号可能会失真，即 电线没有连接任何东西，但由于附近有电磁场，电压表上显示的电压为0.5V。因此，使用阈值电压的概念。如果电压小于阈值，则我们假定逻辑为零，否则为1。考虑到可能的失真，按下的Y键的扫描代码可能如下所示：在仔细研究键盘上的数据如何到达CPU之前，让我们先谈谈微芯片，总线和主板。微控制器和微电路
微控制器可以执行缝入其中的程序，具有一定数量的RAM内存，并可以存储数据和程序代码。在芯片中，可以在设计阶段设置程序。手动创建实现算法的电路非常耗时，因此，可以使用一种称为VHDL（硬件描述语言）的特殊编程语言来设计微电路。这是一种高级编程语言，可以翻译成电路图，通过一个程序运行，该程序在板上找到无线电元件的最佳位置，并最终以物理形式制成。图片仅供参考。微芯片和微控制器中的数据和命令如何表示？计算机技术的基础是晶体管，人类已学会在微观尺寸上制造晶体管。晶体管就是这样一种无线电元件，它具有三个分支：一个输入，一个输出，以及在它们之间的控制，用于打开或关闭两个分支之间的电流。下图说明了晶体管的操作，水说明了电流。电压施加到输入端，如果控件有电压，则电流流到输出，否则将为0V。我们有8个晶体管，每个晶体管都有一个连接到输出端的LED，该LED要么亮着，要么不亮，我们可以想象到256种独特的组合（2的8的幂）。Lapochki会从右到左以及十进制数字进行解释。低位数字在右边。那些。一个灯泡代表一位信息（0或1），八个灯泡代表一个字节。可以在晶体管上构建逻辑运算符AND，OR，NOT，XOR。例如，在AND运算器电路中（在上图的左侧），仅当两个输入电压都不为零时，输出才会具有电压。已经有人发明了基于按位逻辑运算和位移的加，乘，除和减法算法。芯片制造商只需要实现它们。按位加法算法的操作如下所示；我们将不对其进行分析：纳米晶体管是微观的，可以放置在数以百万计的板上。英特尔处理器如下图所示，其中一个内核大概是什么样子。图片是说明性的。在相同的情况下，微电路可能包含一个微控制器。轮胎
通常，在教科书中，轮胎显示为粗体箭头，如下图所示。这样做是为了避免绘制触点的所有连接（可能很多）。PS2总线的操作非常简单，您只需要三个引脚即可。但是有些总线具有例如124个用于数据传输的触点。有以下类型的轮胎：- 数据-这些触点上的位被解释为数据：数字，符号，图片的一部分或其他二进制数据。总线宽度影响吞吐量，每秒传输的位数
- 地址-这些引脚上的位被解释为内存中的物理地址。该总线的宽度决定了支持的最大RAM容量。
- — . CPU RAM I/O.
- . , . ATX 24 Pin 12V PSU Connector, .
轮胎可以由基材组成，即 一些触点用于数据，其他触点用于地址，其他触点用于控制以及向其传输功率的触点。交替使用相同的联系人同时传输数据和地址的方法称为多路复用。例如，英特尔8086处理器具有20位的数据和地址总线，在其引脚图上，其触点由AD0-AD19（支线16-2和39-35）指示。在更复杂的情况下，我们可能有几个连接到相同触点的微电路。对于正常的通信，他们需要一个附加的芯片来确定谁在什么时间点可以使用它们，这被称为总线控制器。。在下图中，真空中的球形总线：四个相同的微控制器通过总线控制器将数据传输到用户微控制器。红线是总线控制器分配给与其连接的所有芯片的电压。数据通过绿线传输并与总线控制器进行“协商”，蓝线为Clock，总线控制器通过时钟同步控制器的通信，因为它们可以以不同的速度运行。如果逻辑单元位于蓝线上，则有权使用总线的芯片可以执行与外界的一种交互作用-例如，读取一点。总线控制器可以被视为不可或缺的组件，因为与外界的通信将通过总线控制器进行，而总线上实际有多少芯片或实际的外部设备并不重要。为了进行数据传输，主板具有广泛的总线网络。尽管有很多芯片组，但大多数情况下它们遵循典型的布局，因为连接到主板的所有设备均分为：- 慢-键盘，硬盘驱动器，网卡，音频等
- 快速-CPU，RAM，GPU。
在此基础上划分，主板上有两个主要的芯片-的南桥，负责协调所有慢速设备的工作，以及北桥，快速设备的协调。在现代计算机中，北桥位于CPU本身，南桥可以称为平台控制器中枢，但这并没有改变本质。这两个网桥都通过总线互连，通过它们相互通知重大事件。特别令人感兴趣的是时钟发生器，处理器，RAM和图形卡通过该时钟发生器同步它们的工作，即同一条蓝线。超频这实际上是在更改BIOS设置，以便更频繁地进行同步，而硬件（主要是CPU）将更难加热，消耗更多功率并更快地开发其资源。相反的是降频，当速度降低以节省电池电量或降低噪音时。芯片组是一组旨在相互配合使用的芯片。它们提供母板上组件之间的通信，并提供计时器等功能。该芯片组仅与一个处理器品牌配合使用，AMD不能与Intel芯片组一起插入主板，它们甚至具有不同的触点。主板图如下所示：是否需要硬件封装的示例？英特尔芯片组具有称为Super IO的芯片，如下图所示，并通过LPC总线连接到南桥。LPC是用于连接CLOCK，DATA，VCC（POWER）的智能名称。该芯片包含所有用于外围设备的旧芯片的仿真，包括用于PS2端口的8042芯片。还有一个用于软盘和其他干扰进度的端口控制器仿真器。在主板的总图中，Super IO和LPC总线均在上面指出。现代的PS2端口直接连接到Super I / O芯片。绿色是键盘，紫色是鼠标。以前，它连接到Intel 8042微控制器。主板由电介质制成，即 不导电的材料。电流只能流过板上印刷的线条。母板有很多层，每个层上都有自己的触点印刷，因此，如果您在看不见线路的地方钻孔母板，则可以通过损坏板内部的不可见触点来破坏母板。现在，您可以仔细研究一下将数据从PS2分发到CPU的过程。从PS2到处理器的道路
通常，在8086处理器上考虑计算机体系结构，这是正确的，因为它与现代CPU相比非常简单，另一方面，这是错误的，因为它很旧并且不能反映现代计算机的体系结构。英特尔8086不需要任何桥接器，因为它是如此之慢以至于可以与一条总线上的外围设备配合使用，即以一种频率。我不了解现代的CPU和芯片组，因此我将在类似于真实的虚拟机和芯片组上进行解释。在我的示例中，将有一个虚构的CPU与Intel 8086非常相似。 Super IO芯片有一百多个触点，并且Internet上有文档，但是我看不出要弄清键盘和LPC总线实际用于与South Bridge通信的哪些引脚。最主要的是原理，可以用不同的方式来实现。让我们快速浏览一下图片，以记住我们已经通过了。绿色箭头表示我们将采取的道路。因此，来自键盘的数据已经到达PS2端口控制器，该控制器曾经是Intel 8042芯片，现在由Super IO芯片进行仿真。现在，让我们分析一下带有虚拟CPU的虚拟主板上的进一步操作过程。 PS2控制器接收到按下的Y键的扫描代码，现在将电压提供给接触信号（紫色线，请参见下图），可编程中断控制器应在该信号上通知键盘数据。该信号从一个芯片传输到另一个芯片，直到北桥将其传递给中断管理器。可编程中断控制器是英特尔8259芯片，其中8条腿（其名称IRQ0-IRQ7）被保留用于从特定端口接收通知（我 nterrupt ř ë Q uest）。键盘与IRQ1引脚相连，打印机与IRQ7引脚相连，软盘，声卡，并行端口以及其他与该引脚相连的引脚。当然，可以有八个以上的设备，因此，当另一个类似的PIC连接到名称为IRQ2的腿上时，就使用了级联之类的技术，在该腿上，计数不是从0开始，而是从7开始。鼠标与IRQ12绑定，即脚IRQ5在第二张PIC上。现在，中断控制器应将键盘上的事件通知CPU。发生这种情况如下：- INT (Interrupt) , INTR (Interrupt Request) . CPU , , .. . , . exception .
- INTR, .
- ( D0-D7) , . PIC ( IRQ).
, ? . . — (x, y, z, w). . - CPU AD0-AD7 , . IDT (Interrupt Descriptior Table) , , . CPU .
. . , IDT C# .
struct IDT_entry{
unsigned short int offset_lowerbits;
unsigned short int selector;
unsigned char zero;
unsigned char type_attr;
unsigned short int offset_higherbits;
};
struct IDT_entry IDT[256];
- , INTA (Interrupt Acknowledged).
最简单的代码中的键盘中断处理程序将如下所示。它调用一个指示中断处理完成的命令，即向INTA脚发送信号。void irq1_handler(void) {
outb(0x20, 0x20);
}
您可以了解有关如何在osdev上配置中断向量表的更多信息。现在我们知道了中断是如何发生的，但是我们不知道中断处理程序如何读取有关按键的信息。从软件的角度来看，PS2端口是两个寄存器，只有I / O端口号不能通过内存中的名称或地址访问它们。这两个单字节寄存器分配给端口0x60和0x64，第一个（0x60）将包含密钥的扫描代码。第二个端口用于将状态和命令传输到PS2端口（不是键盘！）。 x86体系结构指令集具有命令IN storeTo和fromPortNum它将值从指定的I / O端口读入指定的寄存器。例如IN AL，0x60会将来自键盘的数据保存到AL寄存器。它可能像这样工作：- 在我们考虑的处理器中，存在AD0-AD20支路，它们可用于指示地址和数据。这既是数据总线又是地址总线。除了它们之外，还有许多控制分支，例如，引脚号28（S2），其值将指示从存储器或输入/输出设备进行读取的北桥。IN命令在此处讨论I / O设备时设置值。
- CPU (- AD0-AD20) 0110 0000, 0x60. CPU , . , - , - . 0x60 SuperIO , - .
- Super IO . 0x60 PS2, .
- . Intel 8042, SuperIO, LPC , . .. , .
- CPU (- 8 AD0-AD20).
- CPU AL. .
整个算法的工作时间为纳秒级，因此即使处理器花了一些时间等待I / O操作，它也几乎可以立即运行。如您现在所了解的那样，从外部设备读取数据，例如RAM存储器等等。 CPU相当慢。通过编写一个程序在文件中逐行打印10,000行，而不是将它们复制到缓冲区并立即保存，可以注意到这种缓慢。硬盘驱动器连接到南桥，内部还有一个控制器，用于控制数据的直接放置。RAM通过总线连接到CPU，从中读取数据需要一些时间。为了加速CPU，它具有一个缓存，即晶体管所在的区域表示即将需要或经常使用的数据，其读取速度比RAM板快得多，RAM板通过北桥与CPU通信。 RAM被称为动态随机存取存储器，因为电容器用于表示其中的数据。电容器是一种无线电元件，就像电池一样，可以保持一段时间直到完全放电。仅在此放电会很快发生。因此，电容器必须充电，这会立即发生，足以施加电压。带电电容器-逻辑1，否则为0。用于高速缓存静态RAM即 它不需要充电，因此工作更快，但成本更高。高速缓存分为3个级别，在处理器访问RAM之前，在搜索请求的数据期间会对其进行顺序检查。在较旧的处理器上，当L2和L3高速缓存都是外部芯片时，第一级高速缓存（L1）是CPU的一部分，并且以相同的频率使用它。现在它们都与处理器位于同一芯片上。L1缓存是最快和最小的内存大小，L2具有更多的内存，但速度较慢。L3是最大的缓存，也是最慢的缓存（通常称为共享缓存），因为它存储所有CPU内核的数据，而L1和L2是为每个单独的内核创建的。在下一部分中，我们将讨论Windows如何接收和处理接收到的数据。