3.2.1 初始化终端和控制台

在Linux相关的文档中，可以经常看到tty、console、terminal、shell等单词。在一些不那么严格的场景中，它们会被混用，如在一些中文翻译中有可能都被翻译成终端。但实际上，在计算机发展的早期，它们分别对应不同的实体。早期的计算机往往会配备一个操作面板，上面带有大量开关和指示灯，操作员就通过这个面板操作计算机，这个面板就叫作console。Windows系统上的“控制面板”这个名词也来源于此。一台电脑通常只有一个console。随着技术的进步，计算机可以支持多个用户远程连接，每个用户手上有一个专用硬件用于登录，这个专用硬件就是terminal，中文可以翻译为终端。终端的形态是多种多样的，tele typewriter，即远程打字机，缩写为tty。所以慢慢地人们也会使用tty这个缩写来指代终端。而shell则是与内核相对应的一个概念，它是一个运行在console上的进程，也是一个负责读入用户输入、处理用户请求和用户交互的应用程序。

搞清楚这些概念以后，再来阅读Linux源码就能轻松区分代码中的这些概念了。终端tty不只包含屏幕的输出，还包括键盘的输入，你慢慢会发现原来串口通信也是一种终端，所以我们就可以先实现终端的初始化函数，然后在这个函数中进行屏幕、键盘和串口输入/输出的初始化。tty_init就负责初始化终端，而con_init则负责初始化控制台，在屏幕上进行显示这个工作显然适合由控制台来实现。console的初始化的代码如代码清单3-2所示。

代码清单3-2初始化控制台

1　 /* kernel/chr_drv/console.c */

2　 #include＜linux/tty.h＞

3

4　 #define ORIG_X　　　　　(*(unsigned char *)0x90000)

5　 #define ORIG_Y　　　　　(*(unsigned char *)0x90001)

6　 #define ORIG_VIDEO_PAGE　　(*(unsigned short *)0x90004)

7　 #define ORIG_VIDEO_MODE　　((*(unsigned short *)0x90006) & 0xff)

8　 #define ORIG_VIDEO_COLS　　(((*(unsigned short *)0x90006) & 0xff00)＞＞8)

9　 #define ORIG_VIDEO_LINES　 ((*(unsigned short *)0x9000e) & 0xff)

10　#define ORIG_VIDEO_EGA_AX　(*(unsigned short *)0x90008)

11　#define ORIG_VIDEO_EGA_BX　(*(unsigned short *)0x9000a)

12　#define ORIG_VIDEO_EGA_CX　(*(unsigned short *)0x9000c)

13

14　#define VIDEO_TYPE_MDA　　　0x10

15　#define VIDEO_TYPE_CGA　　　0x11

16　#define VIDEO_TYPE_EGAM　　 0x20

17　#define VIDEO_TYPE_EGAC　　 0x21

18

19　static unsigned char　　video_type;

20　static unsigned long　　video_num_columns;

21　static unsigned long　　video_num_lines;

22　static unsigned long　　video_mem_base;

23　static unsigned long　　video_mem_term;

24　static unsigned long　　video_size_row;

25　static unsigned char　　video_page;

26　static unsigned short　 video_port_reg;

27　static unsigned short　 video_port_val;

28

29　void con_init(){

30　　　char *display_desc="????";

31　　　char *display_ptr;

32

33　　　video_num_columns=ORIG_VIDEO_COLS;

34　　　video_size_row=video_num_columns *2;

35　　　video_num_lines=ORIG_VIDEO_LINES;

36　　　video_page=ORIG_VIDEO_PAGE;

37

38　　　/* 这是一个单色显示器吗? */

39　　　if(ORIG_VIDEO_MODE==7){

40　　　　　//部分代码略

41　　　}

42　　　else{/* color display */

43　　　　　video_mem_base=0xb8000;

44　　　　　video_port_reg=0x3d4;

45　　　　　video_port_val=0x3d5;

46

47　　　　　if((ORIG_VIDEO_EGA_BX & 0xff)!=0x10){

48　　　　　　video_type=VIDEO_TYPE_EGAC;

49　　　　　　video_mem_term=0xc0000;

50　　　　　　display_desc="EGAc";

51　　　　　}

52　　　　　else{

53　　　　　//部分代码略

54　　　　　}

55　　　}

56

57　　　display_ptr=((char *)video_mem_base)+video_size_row-8;

58　　　while(*display_desc){

59　　　　　 *display_ptr++= *display_desc++;

60　　　　　 *display_ptr++;

61　　　}

62　}

因为QEMU和Bochs虚拟机都采用了彩色模式的EGA，所以上述代码在执行初始化的过程就会走到EGA的分支。其他分支是用于支持更早期的单色显示器，已经不重要了，所以正文里的代码就把其他分支略去了。第43行代码把显存的起始位置设为0xb8000，因为已经启用了保护模式分页机制，所以这里的地址实际上是虚拟地址，尽管这个值与物理地址是相同的。第49行设置显存结束地址为0xc0000。

setup模块通过使用BIOS中断取得计算机的显卡、内存、硬盘等信息，然后把它们都存储在0x90000的位置，这里就是使用显卡信息的地方。video_num_columns指示了显示器的列数，video_num_lines指示了显示器的行数。除此之外，与显卡相关的其他信息会在后面用到时再介绍。结合上述分析可以知道，第57行～第61行的作用是把代表显示器类型的字符串打印到屏幕的右上角。因为一个字符占据两个字节，第一个字节指示字符的颜色和背景色，第二个字节是字符的ASCII值，所以display_ptr就指向了第一行往前的8个字节，这里预留了显示4个字符的宽度。

同时，main函数也要增加对con_init的调用：

1　 //kernel/main.c

2　 void main(void){

3　　　tty_init();

4　　　__asm__ __volatile__(

5　　　　　"loop:\n\r"

6　　　　　"jmp loop"

7　　　　　::);

8　 }

9

10

11　//kernel/chr_drv/tty_io.c

12　#include＜linux/tty.h＞

13

14　void tty_init(){

15　　　con_init();

16　}

最后一步，再把这两个新增的C文件移到chr_drv目录下，并新建makefile文件以编译这个目录。目录名是character drvier的缩写，这个目录的作用是处理字符设备。字符设备的特点是它们的输入/输出都是以字符为单位的，例如本节显示器里显示字符串的操作就是向显存中逐个复制字符。与字符设备相对应的是块设备，块设备的输入/输出都是以数据块为单位的，比如读取硬盘的动作就是以扇区为单位的，一次输入/输出会传输512B，块设备的驱动会在第6章进行介绍，这里就不再详细展开。

chr_drv目录中的makefile内容如下：

1　 AR:=ar

2　 LD:=ld

3　 GCC:=gcc

4　 CCFLAG:=-m32-I../../include-nostdinc-Wall-fomit-frame-pointer-c

5　 vOBJS :=tty_io.o console.o

6

7　 tty_io.o:tty_io.c

8　　　　　 $(GCC) $(CCFLAG)-o$@$＜

9

10　console.o:console.c

11　　　　　$(GCC) $(CCFLAG)-o$@$＜

12

13　chr_drv.a: $(OBJS)

14　　　　　$(AR)rcs$@$^

15　　　　　sync

16

17　clean:

18　　　　　rm *.o

19　　　　　rm chr_drv.a

这个目录最后生成的目录文件是chr_drv.a，这是一个静态库文件。静态库文件本质是一个压缩文件，是将目标文件（.o文件）打包压缩在一起，并不会对目标文件进行链接、解析符号等操作。而真正的链接操作仍然发生在构建system文件时，所以我们还要记得在kernel目录的makefile文件中添加链接chr_drv.a的操作：

1　 OBJS:=head.o main.o sched.o chr_drv/chr_drv.a

2

3　 system: $(OBJS)

4　　　$(LD) $(LDFLAG)-e startup_32-o$@$^

5

6　 ...

7

8　 chr_drv/chr_drv.a:chr_drv/* .c

9　　　cd chr_drv;make chr_drv.a;cd..

10

11　clean:

12　　　rm *.o

13　　　rm system

14　　　cd chr_drv;make clean;cd..

重新编译整个目录，并且在虚拟机中运行新的linux.img，就可以看到屏幕的右上角正确地打印出了字符串“EGAc”。到这里，控制台的初始化工作就完成了。 PmrItI6icmR6R8xtSwtZugvseqFoDwUogh3/Q5ALdbeaDaWt52M6cnXPVyPoGTps