Аппаратные средства персонального компьютера для ввода информации с клавиатуры

Клавиатура персонального компьютера содержит специальный встроенный микропроцессор. Он при каждом нажатии и отпускании клавиши определяет ее порядковый номер и помещает его в порт 60h специальной электронной схемы - программируемого периферийного интерфейса (ППИ). Далее этот код будем называть скэн-кодом. Скэн-код в первых 7 битах содержит порядковый номер нажатой клавиши, а восьмой бит равен 0, если клавиша была нажата (прямой скэн-код), и равен 1, если клавиша была отпущена (обратный скэн-код). Когда скэн-код записан в порт 60h, схема ППИ выдает сигнал "подтверждения", уведомляя микропроцессор клавиатуры о принятии кода.

Если клавиша остается нажатой дольше некоторого времени задержки (delay value), микропроцессор клавиатуры начинает генерировать с заданной частотой (typematic rate) прямой скэн-код нажатой клавиши. Значения задержки и частоты повторения могут устанавливаться в нужные значения либо через порты клавиатуры, либо через функцию АН = 03h прерывания 16h BIOS. Когда скэн-код принят схемой ППИ, аппаратура компьютера генерирует аппаратное прерывание с номером 9.

Стандартный обработчик прерывания 9 - это программа, входящая в состав BIOS (BIOS ISR). BIOS ISR анализирует скэн-код и по специальным правилам преобразует его. Отме­тим, что по скэн-коду всегда можно установить, вследствие чего ISR получила управление: из-за нажатия или из-за от­пускания клавиши.

 

4.2.2. Анализ и преобразование скэн-кода

Действия BIOS ISR при нажатии и отпускании одной и той же клавиши различны. Клавиши в зависимости от алгоритма обработки их скэн-кода можно разделить на:

шифт-клавиши (Right-Shift, Left-Shift, Alt, Ctrl);

триггерные клавиши (NumLock, ScrollLock, CapsLock);

клавиши с буферизацией расширенного кода;

специальные клавиши (клавиша PrnScr, комбинация Alt-Ctrl-Del, комбинация Ctrl-C (Ctrl-Break)).

За каждой шифт- или триггерной клавишей закреплен свой бит в ячейках памяти по адресам 40: 17h и 40: 18h (табл. 4.1). При каждом нажатии или отпускании шифт-клавиши ISR BIOS инвертирует соответствующий бит. Таким образом, текущее состояние бита шифт-клавиши говорит о том, нажата она в данный момент или отпущена. За триггерными кла­вишами закреплены два бита: один из них инвертируется только при нажатии клавиши ("фиксирует" состояние "Вкл/Выкл"), другой - при нажатии и отпускании, отслеживая текущее состояние клавиши.

Текущее состояние шифт- и тригтерных клавиш используется BIOS-обработчиком прерывания от клавиатуры при определении правил преобразования скэн-кодов от других клавиш. Большинство клавиш и их комбинаций с шифт-клавишами - это клавиши с буферизацией расширенного кода: при их нажатии в специальный буфер памяти помещается двухбайтовый код, называемый BIOS-кодом клавиши. Младший байт этого кода равен ASCII-коду символа, либо нулю. Стар­ший байт равен скэн-коду клавиатуры, либо так называемому расширенному скэн-коду. Комбинация "ASCII-код/ скэн-код клавиатуры" генерируется в следующих случаях:

· если нажата клавиша клавиатуры, помеченная символом, входящим в ASCII-таблицу (называемая далее ASCII-клавишей). Так как прописные и строчные буквы имеют разный ASCII-код, при генерации BIOS-кода учитывается текущее состояние триггерной клавиши CapsLock и клавиши Shift.

· если нажаты некоторые из ASCII-клавиш в комбинации с нажатой и не отпущенной клавишей Ctrl, а также при нажатии клавиш Backspace, ENTER (Ввод), Tab и Esc (Ключ). В этом случае младший байт BIOS-кода клавиши равен одному из управляющих ASCII-кодов. Это ASCII-коды со значениями 00 - 31, которые не входят в число печатаемых символов, а используются для управления периферийными устройствами. Например, нажатие клавиши ENTER порождает управляющий символ Carriage Return (Возврат каретки), нажатие клавиши Tab порождает управляющий символ горизонтальной табуляции, комбинация Ctrl-L - управляющий символ Form Feed (Перевод формы), комбинация Ctrl-B - управляющий символ Bell (Звонок). Нажатие комбинации Ctrl-M соответствует также управляющему символу Carriage Return, но полный BIOS-код этой клавиши равен 13/50, а в случае нажатия клавиши ENTER - 13/28.

Табл. 4.1. Состояние шифт- и триггерных клавиш

Бит	Состояние шифт- и триггерных клавиш
	Байт 40:17h
	Нажата и не отпущена клавиша Right Shift
	Нажата и не отпущена клавиша Left Shift
	Нажата и не отпущена клавиша Ctrl
	Нажата и не отпущена клавиша Alt
	Зафиксирован скроллинг экрана (ScrollLock - включен)
	Включена цифровая клавиатура (NumLock - включен)
	Зафиксирован верхний регистр (CapsLock - включен)
	Включен режим вставки (хотя клавиша Ins не является триггерной, BIOS-обработчик фиксирует каждое ее нажатие, а код клави­ши помещается еще и в буфер клавиатуры)
	Байт40:18h
	Нажата и не отпущена клавиша Left Ctrl
	Нажата и не отпущена клавиша Left Alt
	Нажата клавиша System Request (System)
	Включен режим Pause(Ctrl-NumLock)
	Нажата и не отпущена клавиша ScrollLock
	Нажата и не отпущена клавиша NumLock
	Нажата и не отпущена клавиша CapsLock
	Нажата и не отпущена клавиша Ins

 

Двухбайтовый BIOS-код вида “0 / расширенный скэн-код” генерируется и записывается в буфер клавиатуры при нажа­тии клавиш Fl - F12, Ins, Del, клавиш управления курсором Home, Up, PgUp, Left, Right, End, Down, PgDn и их комбинации с клавишами Alt, Ctrl, Shift, а также при нажатии комбинации Alt-ASCII-клавиша. Значение расширенного скэн-кода определяется технической документацией BIOS. Правила BIOS таковы, что расширенный скэн-код и скэн-код от клавиатуры не совпадают.

Некоторые нажатия клавиш обрабатываются ISR BIOS особым образом. К их числу относятся:

1) клавиша PrnScr, при нажатии которой ISR BIOS выполняет программное прерывание 5;

2) комбинация Alt-Ctrl-Dei, обнаружив такую комбинацию, ISR BIOS передает управление программе начальной загрузки. Эта программа также входит в состав BIOS;

3) комбинация Ctrl-C (Ctrl-Break); ISR BIOS записывает по абсолютному адресу памяти 00471h значение 80h. Оно ис­пользуется как флаг, сигнализирующий о желании пользователя остановить выполнение текущей программы. Значение этого флага проверяют при своем выполнении функции MS-DOS, работающие с файлами stdin, stdout, stdprn и stdaux.

Особым образом обрабатывается так называемый Alt-ввод. Если нажимается и удерживается нажатой клавиша Alt и на цифровой клавиатуре набираются цифры, то после отпускания клавиши Alt в буфер клавиатуры помещается двухбайтовый код, старший байт которого равен нулю, а младший байт содержит набранный цифрами код. Если набранный код больше 256, младший байт равен остатку от деления набранного кода на 256. Большинство прикладных программ обрабатыва­ют ASCII-коды, сгенерированные простым нажатием клавиши и Alt-вводом одинаково, несмотря на различные старшие байты двухбайтового кода в буфере клавиатуры. Например, при нажатии клавиши 'Z' в буфер клавиатуры записывается "ASCII-код/скэн-код": 90/44, а при нажатии Alt-90 - "ASCII-код/0": 90/0. Alt-ввод очень удобен для ввода ASCII-симво­лов, не имеющих соответствующих клавиш, например симво­лов псевдографики.

 

Буфер клавиатуры

Буфер BIOS для записи кодов клавиш занимает 32 байта оперативной памяти с адреса 40:lEh до 40:3Eh. Запись информации в буфер выполняет ISR BIOS прерывания 9, чтение - функции ISR BIOS прерывания 16h. Буфер клавиатуры рассчитан на 15 нажатий клавиш, генерирующих двухбайтовые коды и поэтому имеет 30 байт для кодов клавиш и еще два дополнительных байта, которые резервируются под двухбайтовый код для клавиши ENTER.

Буфер организуется как кольцевая очередь, доступ к которой осуществляется с помощью указателя «головы» (head pointer), адрес которого 40:1Ah, и указателя «хвоста» (tail pointer), адрес которого 40:1Ch. Указатель "хвоста" задает смещение до слова, где будет записан обработчиком прерывания 9 код буферизуемой клавиши, т.е. первое свободное слово буфера. Указатель "головы" задает смещение слова, которое будет возвращено запросу буфе­ризованного ввода с клавиатуры, сделанного операционной системой или BIOSoм.

При каждом нажатии клавиши, для которой генерируется двухбайтовый код, ISR BIOS прерывания 9,'используя текущее значение указателя "хвоста", записывает в память образованный двухбайтовый код. После этого указатель "хвоста" увеличивается на 2. Если указатель "хвоста" перед доступом к буферу указывает на верхнюю границу буфера (на слово 40:3Eh), указатель после записи в буфер "перепрыгивает" на начало буфера, т.е. ему присваивается значение 40:1Eh. Поэ­тому значение указателя "хвоста" может быть и меньше значения указателя "головы". Это значит, что указатель "хвоста" "перескочил" назад к нижней границе буфера. Когда указатель "хвоста" догонит указатель "головы", наступит пере­полнение буфера. В этом случае указатель "хвоста" задает смещение до "холостой" позиции. Каждое новое нажатие клавиши игнорируется BIOS-обработчиком; код клавиши не помещается в буфер, и звучит сигнал динамика.

Указатель "головы" используется BIOS-обработчиком прерывания 16h, которое вызывается непосредственно из приклад­ной программы или функциями MS-DOS ввода с клавиатуры. Если выполняется чтение буфера с разрушением информации (функция АН = 0 прерывания 16h, ISR читает два байта памяти по адресу, смещение которого задает указатель "голо­вы", а сегмент равен 40h. Затем ISR прерывания 16h увеличи­вает (продвигает) указатель "головы" на 2. Если значения ука­зателей "головы" и "хвоста" равны между собой, буфер пуст. В этом случае ISR прерывания 16 выполняет бесконечный цикл ожидания, условием выхода из которого будет неравенство указателей. При нажатии клавиши, генерирующей двухбайтовый код, этот цикл будет прерван BIOS-обработчиком прерывания 9. В результате указатель "головы" продвинется на 2. После завершения ISR BIOS прерывания 9 возобновится выполнение ISR BIOS прерывания 16h. Так как буфер уже не пуст, произойдет выход из цикла и передача в точку вызова прочитанного в буфере двухбайтового кода.

Если выполняется чтение буфера без разрушения информации (функция АН = 1 прерывания 16h), продвижение указателя "головы" не происходит, но прочитанный по этому указателю код передается в точку вызова, если только буфер не пуст. Если буфер пуст, ISR прерывания 16h не выполняет цикл ожидания. Вместо этого флаг переноса CF устанавливается в 1, и обработчик завершает свою работу.

На рис. 4.1. приведены примеры пустого буфера клавиатуры и буфера после ввода с клавиатуры строки "TEST", нажатия клавиш Left и F1 при условии, что текущая программа не выполняла в этот момент ввод с клавиатуры.

 

Рис. 4.1. Организация буфера клавиатуры: а - пустой буфер (значения указателей "готовы" и "хвоста" равны); б- тот же буфер после набора на клавиатуре строки TEST, нажатия специальных клавиш Left и F1 (текущая программа не выполняет ввод информации и указатель "головы" не продвигается)

 

Буфер клавиатуры - это классический пример использова­ния кольцевого буфера для организации асинхронного взаи­модействия двух программ по схеме "производитель-потребитель". Одна из программ (ISR BIOS прерывания 9) "произ­водит" информацию или, как говорят, является процессом-производителем. Исполняемая программа через функцию АН= 00h прерывания 16h BIOS "потребляет" информацию или является процессом-потребителем. Асинхронность взаимодействия означает, что запись в буфер новой информации и чтение из него происходят в случайные, не связанные между собой моменты времени. Так как производитель постоянно анализирует наличие переполнения буфера, не происходит переопределения не прочитанных еще потребителем кодов клавиатуры. Другими словами, при переполнении буфера произво­дитель блокируется до тех пор, пока потребитель не прочитает одно или несколько слов из буфера. Если же буфер пуст и выполняется попытка чтения информации, функция АН = 00h прерывания 16h BIOS переходит к бесконечному циклу, условием которого является неравенство между собой указателей "головы" и "хвоста". Фактически текущая программа, выполняющая ввод с клавиатуры, блокируется, не давая "потребить" несуществующую еще информацию.