I/O系统 - scanf执行过程

源自26考研王道基础课及强化课（含笔者自己总结部分）

在讨论之前,先补充两个概念：内核缓冲区(就是处于内核空间的缓冲区)和与之对应的用户缓冲区。

在scanf函数执行的第一阶段,就申请了用户缓冲区buf,由于buf位于用户空间中,而接下来需要在内核空间中运行,这两个空间是相互独立的。内核空间用来存放操作系统的代码和数据,是供所有进程共享的。

系统调用函数运行在内核态,因此要先把I/O端口中的数据复制到内核空间中,在系统调用返回前,再将数据从内核空间复制到用户空间。

程序调用“scanf("%c",&d)”时,尝试用键盘输入对变量d进行赋值。scanf()会关联一个用户缓冲区buf,这个缓冲区是C语言函数库在用户空间中管理的。

scanf()的第一阶段的工作是在C语言函数库中完成的：

1.检查与scanf函数关联的用户缓冲区buf,若缓冲区中已有数据,则直接读取。若缓冲区为空,则触发系统调用read,以从内核缓冲区中读取数据。
2.执行系统调用read,read 调用会在执行trap指令前传入本次调用的三个参数

fd:文件描述符,指明输入设备

buf:用户空间的缓冲区,数据从内核缓冲区被复制到这个缓冲区

count:读取的最大字节数

第一阶段都相同，第二阶段开始不同

1.中断方式下的执行过程

第二阶段的工作是系统调用，read调用会展开成一段包含陷阱指令的代码，从用户态陷入内核态以执行相关的操作。

进入内核态后,系统调用服务例程申请一个内核缓冲区,并且最终转到真正执行I/O操作的设备驱动层。在中断方式下,系统调用服务例程执行过程的大致描述如下：

1.进入read系统调用后会进入内核，然后转而执行一段内核程序

read指令会指明从哪个设备读（提供逻辑设备名），而设备无关软件会检查一下当前进程有没有权限读取键盘并把逻辑设备名映射为物理设备，然后就可以找到物理设备对应的驱动程序，进而执行驱动程序

驱动程序等待键盘输入并阻塞本进程，即进程从运行态转为阻塞态，CPU调度其他进程运行

2.用户通过键盘输入字符,字符被送到键盘I/O接口的数据端口

3.键盘I/O接口向CPU发出中断请求（或者说发送一个中断信号），并指明中断号是多少

4.CPU响应中断（根据中断号去查中断向量表从而得到中断处理程序的地址）并执行键盘中断处理程序，但是中断处理程序并不了解输入的数据在哪，所以中断处理程序在背后调用驱动程序将IO接口数据端口的字符送入CPU的寄存器中（比如AL寄存器），驱动程序再进一步调用设备独立性软件再将字符从CPU的AL寄存器送入内核缓冲区（因为只有设备独立性软件才知道内核缓冲区在啥地方）

中断处理程序的作用就是调用了驱动程序

但是注意，中断处理程序是由CPU启动的，不是驱动程序，详情见23年408考题46题第三问

5.设备独立性软件调用操作系统的一些功能检查进程阻塞队列，找到被阻塞的进程p，由于键盘有字符输入，进程P被唤醒，插入就绪队列，等待被调度

6.进程P再次获得CPU后,系统调用服务例程将字符从内核缓冲区复制到用户缓冲区

7.进程P从系统调用返回,之后scanf函数进行字符解析,最终将该字符存储到变量d中