操作系统实现之路设备驱动程序工作

详细的设备驱动程序实现机制可参考第10章，此处不做详细说明。下面以鼠标驱动程序为例，对驱动程序中与消息输入有关的部分进行解释，希望读者能够建立一个大概的逻辑概念。

鼠标驱动程序被加载后，操作系统核心会调用其DriverEntry函数，该函数主要完成注册鼠标中断、初始化鼠标硬件、创建鼠标设备对象等工作。其中最重要的是第一步：注册鼠标中断。下面是相关代码：

上面代码片段中，（1）处标注的是注册中断函数的代码。这个函数（ConnectInterrupt）的用途，是把一个中断处理函数与一个中断向量连接起来。这里的中断向量0x2C（MOUSE_INT_VECTOR）就是PC的缺省PS/2鼠标设备中断。需要注意的是，0x2C是调整后的鼠标中断向量号。在切换到保护模式时，向量表的前32个，是系统保留给异常使用的，硬件中断从32号开始。因此虽然按照IBM兼容机的标准，PS/2鼠标的中断是12，在切换到保护模式时，也要加上32，得到十六进制的0x2C。其他硬件的中断号，也是这样得到的。

上述函数执行完毕，一旦鼠标被移动或被按下，鼠标的硬件就会通过该中断向量，中断CPU请求服务。因此鼠标中断处理函数MouseIntHandler是整个鼠标驱动程序的核心，后面将以该函数的实现为主要内容，讲解鼠标驱动程序是如何识别用户按下的鼠标键，以及如何把鼠标消息发送给操作系统核心的。为了便于理解下列代码，首先简单介绍一下机械鼠标的工作原理。

当前一般存在两种类型的鼠标，一类就是所谓的2D（二维）鼠标，它就是我们平常用的那种没有滚轮的鼠标，由于这种鼠标在位移上只有X与Y两个方向，所以称之为2D（二维）鼠标；还有一类就是现在比较常见的3D（三维）鼠标，它们有一个滚轮，而这个滚轮会产生一个额外的Z位移量，因此，它在位移上有X、Y、Z三个方向，所以又称之为3D（三维）鼠标。为了简单，我们以二维鼠标为例，讲解其工作机理。一旦用户移动鼠标、按下鼠标、释放鼠标，不管是左键还是右键，鼠标控制器（在PC上是i8042芯片，该芯片同时还控制键盘）会发起三次中断，通过三次中断向主机发送三个字节的数据：第一个字节是控制字节，说明了鼠标当前的状态，比如鼠标左右键的状态（按下/释放），鼠标移动的偏移量的符号（正向移动还是负向移动），等等。接下来的两个字节，一个是X方向的偏移量，另外一个是Y方向的偏移量。注意这里是偏移量，即是针对鼠标最后一次的位置的位置变化，因此会有正负之分（正、负号在第一个字节里面）。如果X或Y是负数，则是以补码表示的，需要进行特殊处理。下面是第一个字节各比特的含义：

●位0：左键按下标志位，为1表示左键被按下。

●位1：右键按下标志位，为1表示右键被按下。

●位2：中键按下标志位，为1表示中键被按下。

●位3：保留位，总为1。

●位4：X符号标志位，为1表示X位移量为负。

●位5：Y符号标志位，为1表示Y位移量为负。

●位6：X溢出标志位，为1表示X位移量溢出了。

●位7：Y溢出标下位，为1表示Y位移量溢出了。

因此，针对任何一个鼠标消息，鼠标中断处理函数需要被调用三次：第一次输入控制字节，第二次输入X偏移分量，第三次输入Y偏移分量。好了，有了这些铺垫之后，我们正式进入鼠标中断处理程序。代码比较长，我们分段进行解释：

上面代码定义了中断函数要用到的一些变量，大部分是静态变量，这是因为一个鼠标消息，要至少调用三次中断处理函数，而且这三次之间还是有关联的（后面X/Y分量字节，受第一个控制字节的控制），因此上述静态变量用于记录之前的鼠标状态。

MsgCount记录了三次中断的次序，第一次中断发生时，该值为0，于是中断程序会认为是控制字节，会按照控制字节进行处理，然后增加MsgCount。第二次中断的时候，中断程序会认为是X分量的偏移，于是处理X分量，然后再增加MsgCount。第三次的时候自然是Y分量，处理完毕，重置MsgCount为0。这样就实现了三次中断处理一个鼠标消息的目的。x和y两个变量记录了鼠标的位置。(www.xing528.com)

中断函数第一次被调用，于是记录左键是否被按下、右键是否被按下，同时记录X/Y偏移的符号，然后结束中断处理函数，等待第二次中断。

第二次中断的时候，根据X分量的符号值，来对X分量分别进行处理。如果是正数，则在当前鼠标X分量（x值）基础上，增加相应的偏移。如果增加后超过了鼠标X分量的最大值（255），则会把鼠标的当前x坐标设置为最大。这时候鼠标在屏幕上的表现就是，鼠标到达屏幕的最右边，不能继续往右移动。如果X分量偏移是负数，则调整一下（原始数据是偏移的补码），在当前X分量上减去偏移。当然，X分量不能为负数，最小为0。如果为0，则鼠标在屏幕上表现为到达最左端，不能继续左移。

第三次中断的时候，首先处理Y分量，处理方式与X分量相同。

处理完毕，就形成一条完整的鼠标消息了。这时候首先要确定消息类型。XOR是异或操作，用于判断两个BOOL值是否相同。如果两个BOOL值的异或结果为TRUE，说明这两个值是不同的，否则相同。可以用XOR运算来确认前后两次鼠标消息的按键状态是否有变化，代码如下：

上面代码判断鼠标左键是否有变化。如果有变化，则进一步判断鼠标键是被按下，还是抬起。由于bLDPrev记录了先前一次鼠标消息的左键是否被按下，因此如果bLDPrev是TRUE，说明本次鼠标消息是按键抬起（本次消息和前一次消息一定相反）。这时候设置消息类型是KERNEL_MESSAGE_LBUTTONUP。如果bLDPrev是FALSE，则说明本次消息是按下鼠标键的消息，因此记录鼠标消息类型为LBUTTONDOWN。这里还有一种特殊情况，就是双击。鼠标双击本质上是两次间隔很短的单击消息，因此我们要进一步判断是不是双击消息。这里的判断方式是，使用另外一个变量，bHasLDown记录了先前一次消息是不是鼠标按下。如果是，且本次与前一次之间的时间间隔很小（小于3个系统时钟tick），则认为是一次双击鼠标消息，于是重新设置消息的类型为左键双击（LBUTTONDBCLK）。这时候还要把bHasLDown设置为FALSE，因为本次是一个双击消息。

好了，下面的代码处理鼠标右键消息，处理方法与左键相同，不做详细解释。

经过上面的处理之后，就确定了鼠标消息类型，共有七个：左键被按下、左键抬起、左键双击、右键按下、右键抬起、右键双击、鼠标按键状态不变的鼠标移动。在操作系统核心中，鼠标消息也只有这七个。

确定消息类型后，还需要确定鼠标的当前位置。这很简单，在前面已经说过了，鼠标的当前位置记录在x和y变量里。鼠标消息类型和鼠标位置确定后，鼠标消息就完整了，这时候只需要把这个消息发送给操作系统核心即可：

上述代码中，dmsg是核心消息对象，把鼠标消息的相关参数记录到里面，然后调用SendDeviceMessage函数，把消息递交给DIM（DeviceInputManager）对象即可。

SendDeviceMessage函数比较简单，只是把设备消息发送给DIM对象，由DIM对象再进一步放到当前输入焦点线程的消息队列。

鼠标中断处理函数的最后，一定要恢复MsgCount的值为0，这样可保证下一次鼠标消息（三个连续中断）被有效处理。

至此，我们以鼠标驱动程序为例，展示了如何把鼠标的硬件输入传递到操作系统内核（DIM对象）。需要注意的是，设备驱动程序只是把硬件输入消息传递到内核了事，不会进一步跟踪消息的去向。即这个消息最终会被传递到哪个线程（或进程），在设备驱动层面是不知道的，这是操作系统内核的工作，在后面的章节中会有详细介绍。

对鼠标硬件的具体操作方法，无非是使用in或out指令，对硬件端口进行操作，这非常简单，因此本书没有详细介绍，感兴趣的读者可以查看本书的参考文献，或者到互联网上去搜索。键盘、触摸屏等硬件设备的输入机制是相同的，不同的是硬件相关的操作。

这个过程理解了，GUI部分的消息传递机制就算是理解了至少三分之一，很简单，是不是？后面部分会更简单。同时，Windows等操作系统基本也是这样处理的，是不是感觉到Windows也不是那么神秘莫测了？如果读者有这种感觉，那么本章一半的目的就算达到了，但愿如此。