中断的类型

问题1： Java/Js 等语言为什么可以捕获到键盘输入？

问题2：操作系统可以处理键盘按键可以理解，那么我们开机的时候也可以使用键盘，但是那时候操作系统还没有载入内存，这个怎么解释？

探索过程：如何设计响应键盘的整个链路？

当你拿到一个问题时，需要冷静下来思考和探索解决方案。你可以查资料、看视频或者咨询专家，但是在这之前，你先要进行一定的思考和梳理，有的问题可以直接找到答案，有的问题却需要继续深挖寻找其背后的理论支撑。

问题 1：我们的目标是什么?

我们的目标是在 Java/JS 中实现按键响应程序。这种实现有点像 Switch-Case 语句——根据不同的按键执行不同的程序，比如按下回车键可以换行，按下左右键可以移动光标。

问题 2：按键怎么抽象？

键盘上一般不超过 100 个键。因此我们可以考虑用一个 Byte 的数据来描述用户按下了什么键。按键有两个操作，一个是按下、一个是释放，这是两个不同的操作。对于一个 8 位的字节，可以考虑用最高位的 1 来描述按下还是释放的状态，然后后面的 7 位（0~127）描述具体按了哪个键。这样我们只要确定了用户按键/释放的顺序，对我们的系统来说，就不会有歧义。

问题 3：如何处理按键？使用操作系统处理还是让每个程序自己实现？

处理按键是一个通用程序，可以考虑由操作系统先进行一部分处理，比如：

用户按下了回车键，先由操作系统进行统一的封装，再把按键的编码转换为字符串Enter方便各种程序使用。

处理组合键这种操作，由操作系统先一步进行计算比较好。因为底层只知道按键、释放，组合键必须结合时间因素判断。

你可以把下面这种情况看作是一个Ctrl + C组合键，这种行为可以由操作系统进行统一处理，如下所示：

按下 Ctrl按下 C释放 Ctrl释放 C

当一个 Java 或者 JS 写的应用程序想要响应按键时，应该考虑消息模型。因为如果程序不停地扫描按键，会给整个系统带来很大的负担。比如程序写一个while循环去扫描有没有按键，开销会很大。 如果程序在操作系统端注册一个响应按键的函数，每次只有真的触发按键时才执行这个函数，这样就能减少开销了。

问题 5：处理用户按键，需不需要打断正在执行的程序？

从用户体验上讲，按键应该是一个高优先级的操作，比如用户按 Ctrl+C 或者 Esc 的时候，可能是因为用户想要打断当前执行的程序。即便是用户只想要输入，也应该尽可能地集中资源给到用户，因为我们不希望用户感觉到延迟。

如果需要考虑到程序随时会被中断，去响应其他更高优先级的情况，那么从程序执行的底层就应该支持这个行为，而且最好从硬件层面去支持，这样速度最快。 这就引出了本课时的主角——中断。具体如何处理，见下面我们关于中断部分的分析。

问题 6：操作系统如何知道用户按了哪个键？

这里有一个和问题 5 类似的问题。操作系统是不断主动触发读取键盘按键，还是每次键盘按键到来的时候都触发一段属于操作系统的程序呢？

显然，后者更节省效率。

那么谁能随时随地中断操作系统的程序？ 谁有这个权限？是管理员账号吗？ 当然不是，拥有这么高权限的应该是机器本身。

我们思考下这个模型，用户每次按键，触发一个 CPU 的能力，这个能力会中断正在执行的程序，去处理按键。那 CPU 内部是不是应该有处理按键的程序呢？这肯定不行，因为我们希望 CPU 就是用来做计算的，如果 CPU 内部有自带的程序，会把问题复杂化。这在软件设计中，叫作耦合。CPU 的工作就是专注高效的执行指令。

因此，每次按键，必须有一个机制通知 CPU。我们可以考虑用总线去通知 CPU，也就是主板在通知 CPU。

那么 CPU 接收到通知后，如何通知操作系统呢？CPU 只能中断正在执行的程序，然后切换到另一个需要执行的程序。说白了就是改变 PC 指针，CPU 只有这一种办法切换执行的程序。这里请你思考，是不是只有这一种方法：CPU 中断当前执行的程序，然后去执行另一个程序，才能改变 PC 指针？

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接下来我们进一步思考，CPU 怎么知道 PC 指针应该设置为多少呢？是不是 CPU 知道操作系统响应按键的程序位置呢？

答案当然是不知道。

因此，我们只能控制 CPU 跳转到一个固定的位置。比如说 CPU 一收到主板的信息（某个按键被触发），CPU 就马上中断当前执行的程序，将 PC 指针设置为 0。也就是 PC 指针下一步会从内存地址 0 中读取下一条指令。当然这只是我们的一个思路，具体还需要进一步考虑。而操作系统要做的就是在这之前往内存地址 0 中写一条指令，比如说让 PC 指针跳转到自己处理按键程序的位置。

讲到这里，我们总结一下，CPU 要做的就是一看到中断，就改变 PC 指针（相当于中断正在执行的程序），而 PC 改变成多少，可以根据不同的类型来判断，比如按键就到 0。操作系统就要向这些具体的位置写入指令，当中断发生时，接管程序的控制权，也就是让 PC 指针指向操作系统处理按键的程序。

问题 7：主板如何知道键盘被按下?

经过一层一层地深挖“如何设计响应键盘的整个链路？”这个问题，目前操作系统已经能接管按键，接下来，我们还需要思考主板如何知道有按键，并且通知 CPU。

你可以把键盘按键看作按下了某个开关，我们需要一个芯片将按键信息转换成具体按键的值。比如用户按下 A 键，A 键在第几行、第几列，可以看作一个电学信号。接着我们需要芯片把这个电学信号转化为具体的一个数字（一个 Byte）。转化完成后，主板就可以接收到这个数字（按键码），然后将数字写入自己的一个寄存器中，并通知 CPU。

为了方便 CPU 计算，CPU 接收到主板通知后，按键码会被存到一个寄存器里，这样方便处理按键的程序执行。

思路的整理：中断的设计

整体设计分成了 3 层，第一层是硬件设计、第二层是操作系统设计、第三层是程序语言的设计。

按键码的收集，是键盘芯片和主板的能力。主板知道有新的按键后，通知 CPU，CPU 要中断当前执行的程序，将 PC 指针跳转到一个固定的位置，我们称为一次中断（interrupt）。

考虑到系统中会出现各种各样的事件，我们需要根据中断类型来判断PC 指针跳转的位置，中断类型不同，PC 指针跳转的位置也可能会不同。比如按键程序、打印机就绪程序、系统异常等都需要中断，例如系统调用，也需要中断正在执行的程序，切换到内核态执行内核程序。

因此我们需要把不同的中断类型进行分类，这个类型叫作中断识别码。比如按键，我们可以考虑用编号 16，数字 16 就是按键中断类型的识别码。不同类型的中断发生时，CPU 需要知道 PC 指针该跳转到哪个地址，这个地址，称为中断向量（Interupt Vector）。

你可以考虑这样的实现：当编号 16 的中断发生时，32 位机器的 PC 指针直接跳转到内存地址 16*4 的内存位置。如果设计最多有 255 个中断，编号就是从 0~255，刚好需要 1K 的内存地址存储中断向量——这个 1K 的空间，称为中断向量表。

32位刚好是4个字节，也就是说255个4字节就可以存储整个向量表.

因此 CPU 接收到中断后，CPU 根据中断类型操作 PC 指针，找到中断向量。操作系统必须在这之前，修改中断向量，插入一条指令。比如操作系统在这里写一条Jump指令，将 PC 指针再次跳转到自己处理对应中断类型的程序。

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操作系统接管之后，以按键程序为例，操作系统会进行一些处理，包括下面的几件事情：

将按键放入一个队列，保存下来。这是因为，操作系统不能保证及时处理所有的按键，比如当按键过快时，需要先存储下来，再分时慢慢处理。

计算组合键。可以利用按下、释放之间的时间关系。

经过一定计算将按键抽象成消息（事件结构或对象）。

提供 API 给应用程序，让应用程序可以监听操作系统处理后的消息。

分发按键消息给监听按键的程序。

所以程序在语言层面，比如像 Java/Node.js 这种拥有虚拟机的语言，只需要对接操作系统 API 就可以了。

中断的类型

按照中断的触发方分成同步中断和异步中断；

根据中断是否强制触发分成可屏蔽中断和不可屏蔽中断。

中断可以由 CPU 指令直接触发，这种主动触发的中断，叫作同步中断。同步中断有几种情况。

系统调用，需要从用户态切换内核态，这种情况需要程序触发一个中断，叫作陷阱（Trap），中断触发后需要继续执行系统调用。还有一种同步中断情况是错误（Fault），通常是因为检测到某种错误，需要触发一个中断，中断响应结束后，会重新执行触发错误的地方，比如缺页中断 pagefault。程序的异常，这种情况和 Trap 类似，用于实现程序抛出的异常。

另一部分中断不是由 CPU 直接触发，是因为需要响应外部的通知，比如响应键盘、鼠标等设备而触发的中断。这种中断我们称为异步中断。

CPU 通常都支持设置一个中断屏蔽位（一个寄存器），设置为 1 之后 CPU 暂时就不再响应中断。对于键盘鼠标输入，比如陷阱、错误、异常等情况，会被临时屏蔽。但是对于一些特别重要的中断，比如 CPU 故障导致的掉电中断，还是会正常触发。可以被屏蔽的中断我们称为可屏蔽中断，多数中断都是可屏蔽中断。

这也可以解释为什么有的程序不能被ctrl + c终结.

问题1： Java/Js 等语言为什么可以捕获到键盘输入？

为了捕获到键盘输入，硬件层面需要把按键抽象成中断，中断 CPU 执行。CPU 根据中断类型找到对应的中断向量。操作系统预置了中断向量，因此发生中断后操作系统接管了程序。操作系统实现了基本解析按键的算法，将按键抽象成键盘事件，并且提供了队列存储多个按键，还提供了监听按键的 API。因此应用程序，比如 Java/Node.js 虚拟机，就可以通过调用操作系统的 API 使用键盘事件。

问题2：操作系统可以处理键盘按键可以理解，那么我们开机的时候也可以使用键盘，但是那时候操作系统还没有载入内存，这个怎么解释？

主板的一块 ROM 上往往还有一个简化版的操作系统，叫 BIOS（Basic Input/Ouput System）。在 OS 还没有接管计算机前，先由 BIOS 管理机器，并协助加载 OS 到内存。早期的 OS 还会利用 BIOS 的能力，现代的 OS 接管后，就会替换掉 BIOS 的中断向量。

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