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MIT6.S081
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9.5 UART驱动的top部分

接下来我想看一下如何从Shell程序输出提示符“$ ”到Console。首先我们看init.c中的main函数,这是系统启动后运行的第一个进程。
首先这个进程的main函数创建了一个代表Console的设备。这里通过mknod操作创建了console设备。因为这是第一个打开的文件,所以这里的文件描述符0。之后通过dup创建stdout和stderr。这里实际上通过复制文件描述符0,得到了另外两个文件描述符1,2。最终文件描述符0,1,2都用来代表Console。
Shell程序首先打开文件描述符0,1,2。之后Shell向文件描述符2打印提示符“$ ”。
尽管Console背后是UART设备,但是从应用程序来看,它就像是一个普通的文件。Shell程序只是向文件描述符2写了数据,它并不知道文件描述符2对应的是什么。在Unix系统中,设备是由文件表示。我们来看一下这里的fprintf是如何工作的。
在printf.c文件中,代码只是调用了write系统调用,在我们的例子中,fd对应的就是文件描述符2,c是字符“$”。
所以由Shell输出的每一个字符都会触发一个write系统调用。之前我们已经看过了write系统调用最终会走到sysfile.c文件的sys_write函数。
这个函数中首先对参数做了检查,然后又调用了filewrite函数。filewrite函数位于file.c文件中。
在filewrite函数中首先会判断文件描述符的类型。mknod生成的文件描述符属于设备(FD_DEVICE),而对于设备类型的文件描述符,我们会为这个特定的设备执行设备相应的write函数。因为我们现在的设备是Console,所以我们知道这里会调用console.c中的consolewrite函数。
这里先通过either_copyin将字符拷入,之后调用uartputc函数。uartputc函数将字符写入给UART设备,所以你可以认为consolewrite是一个UART驱动的top部分。uart.c文件中的uartputc函数会实际的打印字符。
uartputc函数会稍微有趣一些。在UART的内部会有一个buffer用来发送数据,buffer的大小是32个字符。同时还有一个为consumer提供的读指针和为producer提供的写指针,来构建一个环形的buffer(注,或者可以认为是环形队列)。
在我们的例子中,Shell是producer,所以需要调用uartputc函数。在函数中第一件事情是判断环形buffer是否已经满了。如果读写指针相同,那么buffer是空的,如果写指针加1等于读指针,那么buffer满了。当buffer是满的时候,向其写入数据是没有意义的,所以这里会sleep一段时间,将CPU出让给其他进程。当然,对于我们来说,buffer必然不是满的,因为提示符“$”是我们送出的第一个字符。所以代码会走到else,字符会被送到buffer中,更新写指针,之后再调用uartstart函数。
uartstart就是通知设备执行操作。首先是检查当前设备是否空闲,如果空闲的话,我们会从buffer中读出数据,然后将数据写入到THR(Transmission Holding Register)发送寄存器。这里相当于告诉设备,我这里有一个字节需要你来发送。一旦数据送到了设备,系统调用会返回,用户应用程序Shell就可以继续执行。这里从内核返回到用户空间的机制与lec06的trap机制是一样的。
与此同时,UART设备会将数据送出。在某个时间点,我们会收到中断,因为我们之前设置了要处理UART设备中断。接下来我们看一下,当发生中断时,实际会发生什么。