Непосредственная работа с клавиатурой

Каждый знает, что такое клавиатура и для чего она предназначена, но далеко не все знают, что и как происходит при нажатии той или иной клавиши.

В этой статье я расскажу о низкоуровневой работе с клавиатурой и приведу пример реализации простого обработчика клавиатурного прерывания для реального режима (драйвер).

При нажатии на какую либо клавишу электроника клавиатуры генерирует скан-код клавиши длиной от 1 до 6 байт, который можно получить чтением порта ввода-вывода 0x60. Скан-код – уникальное число, однозначно определяющее нажатую клавишу, но не ASCII-код. Скан-коды бывают двух видов: при нажатии клавиши генерируется так называемый Make-код, а при её отпускании Break-код. Отличаются они лишь тем, что в Break-коде старший бит каждого байта установлен в единицу. Скан-коды делятся на группы: обычные, расширенные, дополнительные и код клавиши Pause. Обычный скан-код состоит из одного байта, расширенный – из 2-х байт, первый из которых – 0xE0. Длина дополнительного кода – от 2 до 4 байт. Он так же начинается с 0xE0. Очень сильно из колеи выбивается Pause – это единственная клавиша, код которой состоит из 6 байт, причем Break-код у неё отсутствует.

Клавиатура может работать в двух режимах: по опросу и по прерыванию. Я рассматриваю только второй режим, так как первый менее эффективен и его реализация проще. Когда во входном буфере клавиатуры есть какие-либо данные, происходит запрос прерывания по линии IRQ1. Помимо самих скан-кодов, клавиатура может передавать компьютеру специальные коды при выполнении команд (например, изменение состояния светодиодов).

ПРИМЕЧАНИЕ

По ходу статьи предполагается, что клавиатура работает в режиме «по умолчанию»: установлен набор скан-кодов Set2, большинство клавиш работают в режиме автоповтора и т. д.

29 A9 - 0C 8C = 0D 8D \ 2B AB [ 1A 9A ] 1B 9B ; 27 A7 " 28 A8 < 33 B3 > 34 B4 ? 35 B5 ПРИМЕЧАНИЕ

Если повнимательнее присмотреться к скан-коду клавиши Pause (E1 1D 45 E1 9D C5), можно заметить, что первые 3 байта являются Make-кодом, а вторые Break-кодом. То есть клавиатура при её нажатии генерирует сразу же и код нажатия и отжатия. В дальнейшем это немного упростит нам жизнь.

Если нажать клавишу и удерживать её, то через заданное время, называемое временем автоповтора, скан-код удерживаемой клавиши будет повторяться с частотой автоповтора. При автоповторе дополнительные скан-коды содержат два байта вместо четырех. Например, последовательность байт при удержании и отпускании клавиши Page Up (E0 2A E0 49) выглядит так: E0 2A E0 49 E0 49 E0 49 E0 49 E0 49 E0 49 E0 49 E0 C9 E0 AA. Обратите внимание: при отпускании клавиши с дополнительным кодом последовательность перевёрнута – признак дополнительного кода (E0 AA) идёт в конце, а не в начале.

Следующие позиции в таблице скан-кодов заняты и однозначно не могут быть использованы другими клавишами (и, соответственно, нами):

• обычные скан-коды: [0x01 - 0x53], [0x57 - 0x58]
• расширенные: [0x1C - 0x1D], 0x35, 0x38, [0x5B - 0x5F], 0x63
• дополнительные: 0x37, [0x47 - 0x49], 0x4B, 0x4D, [0x4F - 0x53]

Всем расширенным скан-кодам предшествует байт 0x0E, а дополнительным – последовательность байт 0xE0, 0x2A, 0xE0.

Если решать нашу задачу в лоб, то придётся проверять каждый байт, полученный от клавиатуры. А так как байты из набора обычных кодов пересекаются с последними байтами остальных наборов (имеются одинаковые значения), дополнительные коды при отпускании идут перевёрнутыми парами, прерывание возникает столько раз, сколько байт в скан-коде, имеется ещё и Pause, то определить, что именно за клавиша была нажата, становится не очень просто. В конечном итоге все эти аспекты приведут к реализации с кучей неудобоваримых ветвлений.

Честно говоря, даже не представляю, чем руководствовались разработчики, создавая такой беспорядок. В этой статье я сосредоточусь именно на том, как всё это безобразие привести в более простой и красивый вид.

Для информирования о том, что скан-код является расширенным или дополнительным, используются значения 0xE0, 0x2A/0xAA и 0xE1 для Pause. Этот факт однозначно говорит о том, что эти значения также не используются ни одной из клавиш – иначе определить нажатую/отжатую клавишу было бы просто невозможно.

Введём понятие виртуальной клавиши – это номер, определяющий функцию клавиши. Например: Ctrl исполнен в виде двух физических клавиш, но их виртуальный код – один и тот же.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Мои определения виртуальных клавиш несколько отличаются от используемых в Windows, хотя и очень похожи на них.

Создадим таблицу трансляции скан-кодов в виртуальные клавиши, состоящую из 256 элементов по 2 байта каждый. В первом байте мы будем хранить сам виртуальный код клавиши, а во втором – некоторые атрибуты.

Если бы все коды состояли из одного байта, то по младшим семи разрядам значения этого байта можно было бы однозначно идентифицировать клавишу. Впрочем, для большей части клавиш это условие выполняется, и их преобразование можно свести к такому правилу: обнулить старший разряд, и полученное значение использовать в качестве индекса в таблице трансляции, по которому находится виртуальный код клавиши независимо от того, нажимается она или отжимается.

Поскольку мы обнуляем старший разряд, все значения в промежутке [128 – 255] таблицы трансляции свободны для наших нужд. Виртуальные коды расширенных и дополнительных клавиш мы будем хранить именно в этом диапазоне. Поступим следующим образом: если скан-код является расширенным или дополнительным (Pause пока отбросим), то установим в единицу старший разряд в его последнем байте.

Всё осложняется тем, что за одно прерывание мы получаем лишь один байт скан-кода, и так просто установить старший разряд последнего байта не удастся.

Начнём с рассмотрения дополнительных клавиш. Все они начинаются с байта 0xE0. Модифицируем ранее приведённое правило: если виртуальный код, полученный из таблицы трансляции, равен нулю, то виртуальный код не готов и скан-код ещё не принят полностью. Отбросив старший разряд у 0xE0, мы получим значение 0x60 (которое также не используется ни одной клавишей), которое можно использовать в качестве индекса, по которому будет храниться значение 0. При обработке следующего прерывания мы получим последний байт скан-кода, у которого и должны установить старший разряд. Проще всего это сделать, модифицировав правило преобразования. Вспомним о том, что у нас имеется ещё и байт атрибутов в таблице, который до сих пор никак не задействован. Новое правило будет выглядеть так: при каждом получении значения из таблицы будем сохранять его в переменной, а при формировании индекса будем использовать какой-либо разряд байта атрибутов, отражающий, что необходимо изменить старший разряд полученного байта.

Теперь определимся, какой разряд мы будем использовать, и как с его помощью получать индекс. Как я уже сказал, нам необходимо установить самый старший бит. Получается всё очень просто и красиво: старший бит атрибутов, взятый из переменной, переносится в старший разряд полученного байта.

Давайте разберём всё вышеизложенное на примере клавиши Ctrl Right (E0 1D):

Назовём переменную, которая должна хранить байт виртуального кода и байт атрибутов, KeyInfo. Инициализируем ее значением 0. Первый получаемый байт имеет значение 0xE0. Обнуляем старший разряд и получаем 0x60. Берём старший разряд байта атрибутов из переменной KeyInfo и переносим его в старший разряд полученного индекса: (0xE0 & 0x7F) | ((KeyInfo >> 8) & 0x80). В итоге получаем индекс 0x60, по которому в таблице будет храниться виртуальный код с нулевым значением и байт атрибутов с установленным старшим разрядом: KeyInfo = 0x8000. Следующий байт в последовательности 0x1D: KeyInfo = Table[(0x1D & 0x7F) | ((KeyInfo >> 8) & 0x80)] == 0x9D – вот мы и получили конечный индекс, по которому в таблице будет находиться виртуальный код.

Едем дальше – на очереди дополнительные коды. Отличаются они лишь тем, что первые 2 байта имеют значение 0xE0, 0x2A. Самый простой способ их приёма даже не потребует изменений правила получения индекса. После получения 0xE0 байт 0x2A превратится в индекс 0xAA, по которому будем хранить значение 0, указывающее на то, что виртуальный код не готов, и модифицировать старший разряд следующего байта не нужно (как будто бы этой последовательности и вовсе не было). Следующие 2 байта последовательности ничем не отличаются от расширенного скан-кода, и для их приёма уже всё готово.

ПРИМЕЧАНИЕ

Всё вышеизложенное прекрасно работает при получении 2 байт вместо 4 при автоповторе и обратном порядке следования пар при отпускании. Причём при отпускании первые 2 байта дадут виртуальный код отжатой клавиши, а последние 2 (E0 AA) будут преобразованы в 0x0000 (проигнорированы).

Но как вы уже, наверное, забыли, мы отбросили клавишу Pause (E1 1D 45) – давайте теперь разберёмся и с ней. Если пойти по предыдущему пути, и по индексу 0x61 (0xE1 & 0x7F) хранить значение 0x8000, то мы получим коллизию, связанную с правым Ctrl’ом (E0 1D). Что же нам в этом случае делать? Ну что ж, будем в очередной раз модифицировать наше правило получения индекса: посмотрим на двоичное представление числа 0x1D – 0001 1101. Чтоб не возникло коллизий, можно, например, модифицировать 5-й, 6-й, или оба разряда вместе, или 7-й и 1-й, но раз уж мы начали модифицировать старшие разряды, то давайте продолжим. Новое правило получения индекса будет таким: (Value & 0x7F) | ((KeyInfo >> 8) & 0xC0). Но на этом наши мучения с клавишей Pause не закончились. По индексу 0x61 будем хранить значение KeyInfo = 0x4000 (не 0xC000, чтоб не возникло коллизии с Applications (E0 5D)), и, следуя новому правилу, получим: (1D & 0x7F) | ((KeyInfo >> 8) & 0xC0) == 0x5D. Но, поскольку код Pause состоит из трёх байт, то по этому индексу тоже должен быть какой-то модификатор – и о благо: если взять 0x8000, то никаких коллизий не возникнет, и по индексу 0xC5 будет находиться виртуальный код Pause.

ПРИМЕЧАНИЕ

Несмотря на то, что KeyInfo изменяется после каждого принятого байта, никаких проблем при приёме следующего скан-кода не возникнет, так как для модификации принятого байта используется только байт атрибутов. Если конечный индекс получен, то по нему в таблице модифицирующие разряды отсутствуют (сброшены в ноль) и уже неважно, что находится в первом байте KeyInfo.

29 VK_OEM_3 Shift Left 2A VK_SHIFT \ 2B VK_OEM_5 Z 2C VK_Z X 2D VK_X C 2E VK_C V 2F VK_V B 30 VK_B N 31 VK_N M 32 VK_M < 33 VK_OEM_COMMA > 34 VK_OEM_PERIOD ? 35 VK_OEM_2 Shift Right 36 VK_SHIFT RIGHT Num Multiply 37 VK_MULTIPLY Alt Left 38 VK_MENU Space 39 VK_SPACE Caps Lock 3A VK_CAPITAL F1 3B VK_F1 F2 3C VK_F2 F3 3D VK_F3 F4 3E VK_F4 F5 3F VK_F5 F6 40 VK_F6 F7 41 VK_F7 F8 42 VK_F8 F9 43 VK_F9 F10 44 VK_F10 Num Lock 45 VK_NUMLOCK Scroll Lock 46 VK_SCROLL Num 7 47 VK_NUMPAD7 Num 8 48 VK_NUMPAD8 Num 9 49 VK_NUMPAD9 Num Minus 4A VK_SUBTRACT Num 4 4B VK_NUMPAD4 Num 5 4C VK_NUMPAD5 Num 6 4D VK_NUMPAD6 Num Plus 4E VK_ADD Num 1 4F VK_NUMPAD1 Num 2 50 VK_NUMPAD2 Num 3 51 VK_NUMPAD3 Num 0 52 VK_NUMPAD0 Num Dot 53 VK_DECIMAL 54 VK_UNKNOWN 55 VK_UNKNOWN 56 VK_UNKNOWN F11 57 VK_F11 F12 58 VK_F12 59 VK_UNKNOWN 5A VK_UNKNOWN 5B VK_UNKNOWN 5C VK_UNKNOWN 5D EXTEND Pause (E1 1D) 5E VK_UNKNOWN 5F VK_UNKNOWN 60 EXTEND Extended (E0) 61 PAUSE_EXTEND Pause (E1) 62 VK_UNKNOWN 63 VK_UNKNOWN 64 VK_UNKNOWN 65 VK_UNKNOWN 66 VK_UNKNOWN 67 VK_UNKNOWN 68 VK_UNKNOWN 69 VK_UNKNOWN 6A VK_UNKNOWN 6B VK_UNKNOWN 6C VK_UNKNOWN 6D VK_UNKNOWN 6E VK_UNKNOWN 6F VK_UNKNOWN 70 VK_UNKNOWN 71 VK_UNKNOWN 72 VK_UNKNOWN 73 VK_UNKNOWN 74 VK_UNKNOWN 75 VK_UNKNOWN 76 VK_UNKNOWN 77 VK_UNKNOWN 78 VK_UNKNOWN 79 VK_UNKNOWN 7A Acknowledge (FA) 7B VK_UNKNOWN 7C VK_UNKNOWN 7D VK_UNKNOWN 7E VK_UNKNOWN 7F VK_UNKNOWN 80 VK_UNKNOWN 81 VK_UNKNOWN 82 VK_UNKNOWN 83 VK_UNKNOWN 84 VK_UNKNOWN 85 VK_UNKNOWN 86 VK_UNKNOWN 87 VK_UNKNOWN 88 VK_UNKNOWN 89 VK_UNKNOWN 8A VK_UNKNOWN 8B VK_UNKNOWN 8C VK_UNKNOWN 8D VK_UNKNOWN 8E VK_UNKNOWN 8F VK_UNKNOWN 90 VK_UNKNOWN 91 VK_UNKNOWN 92 VK_UNKNOWN 93 VK_UNKNOWN 94 VK_UNKNOWN 95 VK_UNKNOWN 96 VK_UNKNOWN 97 VK_UNKNOWN 98 VK_UNKNOWN 99 VK_UNKNOWN 9A VK_UNKNOWN 9B VK_UNKNOWN Num Enter 9C VK_RETURN RIGHT Ctrl Right 9D VK_CONTROL RIGHT 9E VK_UNKNOWN 9F VK_UNKNOWN A0 VK_UNKNOWN A1 VK_UNKNOWN A2 VK_UNKNOWN A3 VK_UNKNOWN A4 VK_UNKNOWN A5 VK_UNKNOWN A6 VK_UNKNOWN A7 VK_UNKNOWN A8 VK_UNKNOWN A9 VK_UNKNOWN AA Additional (E0 2A) AB VK_UNKNOWN AC VK_UNKNOWN AD VK_UNKNOWN AE VK_UNKNOWN AF VK_UNKNOWN B0 VK_UNKNOWN B1 VK_UNKNOWN B2 VK_UNKNOWN B3 VK_UNKNOWN B4 VK_UNKNOWN Num Divide B5 VK_DIVIDE B6 VK_UNKNOWN Print Screen B7 VK_SNAPSHOT Alt Right B8 VK_MENU RIGHT B9 VK_UNKNOWN BA VK_UNKNOWN BB VK_UNKNOWN BC VK_UNKNOWN BD VK_UNKNOWN BE VK_UNKNOWN BF VK_UNKNOWN C0 VK_UNKNOWN C1 VK_UNKNOWN C2 VK_UNKNOWN C3 VK_UNKNOWN C4 VK_UNKNOWN Pause C5 VK_PAUSE C6 VK_UNKNOWN Home C7 VK_HOME Arrow Up C8 VK_UP Page Up C9 VK_PRIOR CA VK_UNKNOWN Arrow Left CB VK_LEFT CC VK_UNKNOWN Arrow Right CD VK_RIGHT CE VK_UNKNOWN End CF VK_END Arrow Down D0 VK_DOWN Page Down D1 VK_NEXT Insert D2 VK_INSERT Delete D3 VK_DELETE D4 VK_UNKNOWN D5 VK_UNKNOWN D6 VK_UNKNOWN D7 VK_UNKNOWN D8 VK_UNKNOWN D9 VK_UNKNOWN DA VK_UNKNOWN Win Left DB VK_WIN Win Right DC VK_WIN RIGHT Applications DD VK_APPS Power DE VK_POWER Sleep DF VK_SLEEP E0 VK_UNKNOWN E1 VK_UNKNOWN E2 VK_UNKNOWN Wake Up E3 VK_WAKEUP E4 VK_UNKNOWN E5 VK_UNKNOWN E6 VK_UNKNOWN E7 VK_UNKNOWN E8 VK_UNKNOWN E9 VK_UNKNOWN EA VK_UNKNOWN EB VK_UNKNOWN EC VK_UNKNOWN ED VK_UNKNOWN EE VK_UNKNOWN EF VK_UNKNOWN F0 VK_UNKNOWN F1 VK_UNKNOWN F2 VK_UNKNOWN F3 VK_UNKNOWN F4 VK_UNKNOWN F5 VK_UNKNOWN F6 VK_UNKNOWN F7 VK_UNKNOWN F8 VK_UNKNOWN F9 VK_UNKNOWN FA VK_UNKNOWN FB VK_UNKNOWN FC VK_UNKNOWN FD VK_UNKNOWN FE VK_UNKNOWN FF VK_UNKNOWN ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

По индексу 0x7A хранится нулевое значение для игнорирования ответа от клавиатуры при приёме команды, но это не единственный возможный ответ, и все их при помощи данной таблицы игнорировать не удастся. Но эта задача решается крайне просто, например, при посылке команды можно отключить прерывания вообще и работать по опросу, или завести переменную, указывающую на то, что была послана команда, и трансляцию скан-кодов использовать не нужно.

С трансляцией мы полностью разобрались, теперь давайте задействуем ещё некоторые разряды байта атрибутов. Например, будем хранить в 0-м разряде признак отпускания клавиши – при отжатии он будет устанавливаться в единицу. Как я уже говорил, виртуальный код определяет именно функцию клавиши, а не её физическое расположение. Но представьте, что эта информация может понадобиться, 1-й разряд будет признаком того, что клавиша является правой.

В тестовом примере реализован обработчик клавиатурного прерывания (работы с командами нет), который при нажатии или отпускании клавиши выводит информацию о том, что и с какой клавишей произошло.

СОВЕТ

Определения самих таблиц вынесены в отдельные файлы (TrnslTbl.inc, NamesTbl.inc) в которых присутствуют только сами объявления, вследствие чего упрощается их модификация, например, если нам понадобится изменить значение кода 0xFE, то мы просто перейдём на строку 255 и сделаем необходимые изменения.

P. S. Конструктивная критика, исправления и дополнения крайне приветствуются.