自制一個 Linux 作業系統(6) — Output (Serial Port)

11 min readApr 8, 2020

這系列的文章會記錄我嘗試做出一個 Linux OS kernel的過程，要主是依照 https://littleosbook.github.io/ 這系列的文章，加上自已踩下的坑，希望能幫助同樣有做一個作業系統夢想的各位。

承接上文到 4.3，我們會了解 I/O ports 的使用方法。序列埠 (Serial port) 作為經典的 I/O ports ，它的作用與為什麼我們的電腦會用到它。(在原文中有提到，在這時我們只需要用 Serial port 作 Output 用，而不會用到他作 Input ，這與之後的內容會有所關連，請先注意。)

序列埠是一個硬體與主機板之間溝通的介面，比如我們常常用到的 USB 、VGA 、網路線插口，都是一種 Serial port。

第一個被傳送到 serial port 的資料是 config data，作用是在硬體與硬體之間能夠有效通訊，所以他們之間會需要一些 handshaking，包括 :

指定傳送 data 的速度 ( baud rate )。
指定對應於接收錯誤時所使用的 data (parity bit, stop bit)。
parity bit 被稱作同位位元，是最簡單的錯誤檢測碼。如果傳輸過程中包括校驗位在內的奇數個資料位發生改變，那麼奇偶校驗位將出錯表示傳輸過程有錯誤發生。
stop bit 被稱作停止位元，用以代表傳送結束。若把 stop bit 設定為 1，則當傳輸線上的信號一直為 1 時，就是表示沒有資料傳送。當傳輸線上的信號由1變為0，即表示有資料將傳送。
指定 data 的長度，在 5-8 之間 (data bits)。

而 serial port 就有一個 I/O port — — “line command port” 來用作保存 config。

注意 : 在內文提出的 "line command port"，在我大量的 google 下還是沒有找到相應的資料，所以請各位對這個 port 是否確實存在保持適當的懷疑，或是在下方給我留言，謝謝。

首先設定 baud rate，serial port 大多數的 baud rate 上限都是 115200 bps，如果在速度內傳兩個結果，就是 115200 / 2 = 57600 Hz。因為分母 (2) 是一個 16bit 的數字，跟 framebuffer 的 I/O port 一樣，我們只能以先後傳前後 8 bit 的值來處理，以下是傳 0x80 到 "line command port" 的例子 :

#include "io.h" /* io.h is implement in the section "Moving the cursor" *//* The I/O ports *//* All the I/O ports are calculated relative to the data port. This     
 * is because all serial ports (COM1, COM2, COM3, COM4) have their 
 * ports in the same order, but they start at different values.
 */#define SERIAL_COM1_BASE                0x3F8  /* COM1 base port */
#define SERIAL_DATA_PORT(base)          (base)
#define SERIAL_FIFO_COMMAND_PORT(base)  (base + 2)
#define SERIAL_LINE_COMMAND_PORT(base)  (base + 3)
#define SERIAL_MODEM_COMMAND_PORT(base) (base + 4)
#define SERIAL_LINE_STATUS_PORT(base)   (base + 5)/* The I/O port commands *//* SERIAL_LINE_ENABLE_DLAB:
 * Tells the serial port to expect first the highest 8 bits on the 
 * data port, then the lowest 8 bits will follow
 */#define SERIAL_LINE_ENABLE_DLAB         0x80/* serial_configure_baud_rate:
 * Sets the speed of the data being sent. The default speed of a  
 * serial port is 115200 bits/s. The argument is a divisor of that   
 * number, hence the resulting speed becomes (115200 / divisor) 
 * bits/s.
 *  @param com      The COM port to configure
 *  @param divisor  The divisor
 */
void serial_configure_baud_rate(unsigned short com, unsigned short divisor) {
    outb(SERIAL_LINE_COMMAND_PORT(com), 
    SERIAL_LINE_ENABLE_DLAB);
    outb(SERIAL_DATA_PORT(com),
    (divisor >> 8) & 0x00FF);
    outb(SERIAL_DATA_PORT(com),
    divisor & 0x00FF);
}

config data 傳送的方法同樣是由 "line command port" 傳送 1 個 byte 來實現，以下是 8 bits 的排列 :

Bit:     | 7 | 6 | 5 4 3 | 2 | 1 0 |
Content: | d | b | prty  | s | dl  |

DLAB 是用於在傳送 16 bit 的值時，告訴 Serial port 先接收前 8 bit 的值，再接收後 8 bit 的值。
break control ( 找不到相關資料。)

我們會使用最常用的值 0x03 ，來表示 8 bits 的內容，沒有 parity bit，1 stop bit 與不使用 break control。這些 config 會傳送到 "line command port"，程式如下 :

/** serial_configure_line:
 *  Configures the line of the given serial port. The port is set to  
 *  have data length of 8 bits, no parity bits, one stop bit and   
 *  break control disabled.
 *
 *  @param com  The serial port to configure
 */
 void serial_configure_line(unsigned short com)
 {
    /* Bit:     | 7 | 6 | 5 4 3 | 2 | 1 0 |
     * Content: | d | b | prty  | s | dl  |
     * Value:   | 0 | 0 | 0 0 0 | 0 | 1 1 | = 0x03
     */
     outb(SERIAL_LINE_COMMAND_PORT(com), 0x03);
 }

如上，我們就可以完成一組 serial port 之間的協定，讓兩者可以開始溝通。

當資料被傳送到 serial port，他們會被存放到 buffer 中。所以當你傳送 data 到 serial port 的速度比 serial port 傳送出去的速度快的話，那 data 就會先存在 buffer 裡面。如果傳得太快太多，傳 buffer 都滿了的話，data 就會漏掉。換句話說，buffer 是一個 FIFO ( First In First Out ) 的序列。

buffer 的 config data 如下 :

Bit:     | 7 6 | 5  | 4 | 3   | 2   | 1   | 0 |
Content: | lvl | bs | r | dma | clt | clr | e |

在文章這邊他們使用的是 0xC7 = 11000111 作為 config 值 :

使用 FIFO 序列。
清除 receiver 和transmission 的 FIFO 序列。
使用 14 byte 作為 buffer 的大小。

但為什麼使用 0xC7 ? 文章中沒有多說明！

(The WikiBook on serial programming [32] explains the values in more depth.) ← 這就是原文 !!!

那電腦怎麼知道 Data 是準備好被傳送與被接收的呢 ? 資料總不能沒有通知就在兩個地方跑來跑去，萬一兩方都剛好要傳資料時，通道不就塞住了嗎。這時我們就會用到 RTS (Ready To Transmit) 跟 DTR (Data Terminal Ready)。當 serial port 的 RTS 跟 DTR pin 都被設為 1 時，就表示準備好傳送資料，而 RTS 跟 DTR 是被設計於 modem control register 中。

modem 的 config data 如下 :

Bit:     | 7 | 6 | 5  | 4  | 3   | 2   | 1   | 0   |
Content: | r | r | af | lb | ao2 | ao1 | rts | dtr |

在這我們因為不用 Input 只做 Output 動作，所以沒有使用 interrupt，使用的是 0x03= 00000011作為 config 值。

把 data 寫進 serial port 時，需要確保 transmit FIFO 序列為空，這可以透過 line status 的第 5 個 bit 為 1 來確認。
而讀取 I/O port 的內容是透過in assembly 進行，沒有辦法使用直接用 C 來做到，所以如 out assembly 一樣，我們要寫一下 assembly 再包給 C 使用。

global inb; inb - returns a byte from the given I/O port
; stack: [esp + 4] The address of the I/O port
;        [esp    ] The return addressinb:
    mov dx, [esp + 4]       ; move the address of the I/O port to 
                            ; the dx register
    in  al, dx              ; read a byte from the I/O port and 
                            ; store it in the al register
    ret                     ; return the read byte

再在 io.h 檔中增加一個 header :

/* in file io.h *//** inb:
 *  Read a byte from an I/O port.
 *
 *  @param  port The address of the I/O port
 *  @return      The read byte
 */
unsigned char inb(unsigned short port);

最後再使用 C 來檢查 transmit FIFO 是否為空 :

#include "io.h"/** serial_is_transmit_fifo_empty:
 *  Checks whether the transmit FIFO queue is empty or not for the 
 *  given COM port.
 *
 *  @param  com The COM port
 *  @return 0 if the transmit FIFO queue is not empty
 *          1 if the transmit FIFO queue is empty
 */
int serial_is_transmit_fifo_empty(unsigned int com)
{
     /* 0x20 = 0010 0000 */
     return inb(SERIAL_LINE_STATUS_PORT(com)) & 0x20;
}

接著我們要設定一下 Bochs 來讓它開啟一個 serial port。先打開我們的 bochsrc.txt 檔，然後增加下面這一行 config :

com1: enabled=1, mode=file, dev=com1.out

現在 serial port 1 的 output 會儲存到com1.out 檔。

下一章，我們會了解 Segmentation。

自制一個 Linux 作業系統(6) — Output (Serial Port)

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Written by YC

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