目錄
問題 1：我們的目標是什麼?
問題 2：按鍵怎麼抽象？
問題 3：如何處理按鍵？使用作業系統處理還是讓每個程式自己實現？
問題 4：程式用什麼模型響應按鍵？
問題 5：處理使用者按鍵，需不需要打斷正在執行的程式？
問題 6：作業系統如何知道使用者按了哪個鍵？
問題 7：主機板如何知道鍵盤被按下?
思路的整理：中斷的設計
中斷的型別
問題1： Java/Js 等語言為什麼可以捕獲到鍵盤輸入？
問題2：作業系統可以處理鍵盤按鍵可以理解，那麼我們開機的時候也可以使用鍵盤，但是那時候作業系統還沒有載入記憶體，這個怎麼解釋？
探索過程：如何設計響應鍵盤的整個鏈路？當你拿到一個問題時，需要冷靜下來思考和探索解決方案。你可以查資料、看影片或者諮詢專家，但是在這之前，你先要進行一定的思考和梳理，有的問題可以直接找到答案，有的問題卻需要繼續深挖尋找其背後的理論支撐。
問題 1：我們的目標是什麼?我們的目標是在 Java/JS 中實現按鍵響應程式。這種實現有點像 Switch-Case 語句——根據不同的按鍵執行不同的程式，比如按下回車鍵可以換行，按下左右鍵可以移動游標。
問題 2：按鍵怎麼抽象？鍵盤上一般不超過 100 個鍵。因此我們可以考慮用一個 Byte 的資料來描述使用者按下了什麼鍵。按鍵有兩個操作，一個是按下、一個是釋放，這是兩個不同的操作。對於一個 8 位的位元組，可以考慮用最高位的 1 來描述按下還是釋放的狀態，然後後面的 7 位（0~127）描述具體按了哪個鍵。這樣我們只要確定了使用者按鍵/釋放的順序，對我們的系統來說，就不會有歧義。
問題 3：如何處理按鍵？使用作業系統處理還是讓每個程式自己實現？處理按鍵是一個通用程式，可以考慮由作業系統先進行一部分處理，比如：
使用者按下了回車鍵，先由作業系統進行統一的封裝，再把按鍵的編碼轉換為字串Enter方便各種程式使用。
處理組合鍵這種操作，由作業系統先一步進行計算比較好。因為底層只知道按鍵、釋放，組合鍵必須結合時間因素判斷。
你可以把下面這種情況看作是一個Ctrl + C組合鍵，這種行為可以由作業系統進行統一處理，如下所示：
按下 Ctrl按下 C釋放 Ctrl釋放 C當一個 Java 或者 JS 寫的應用程式想要響應按鍵時，應該考慮訊息模型。因為如果程式不停地掃描按鍵，會給整個系統帶來很大的負擔。比如程式寫一個while迴圈去掃描有沒有按鍵，開銷會很大。 如果程式在作業系統端註冊一個響應按鍵的函式，每次只有真的觸發按鍵時才執行這個函式，這樣就能減少開銷了。
問題 5：處理使用者按鍵，需不需要打斷正在執行的程式？從使用者體驗上講，按鍵應該是一個高優先順序的操作，比如使用者按 Ctrl+C 或者 Esc 的時候，可能是因為使用者想要打斷當前執行的程式。即便是使用者只想要輸入，也應該儘可能地集中資源給到使用者，因為我們不希望使用者感覺到延遲。
如果需要考慮到程式隨時會被中斷，去響應其他更高優先順序的情況，那麼從程式執行的底層就應該支援這個行為，而且最好從硬體層面去支援，這樣速度最快。 這就引出了本課時的主角——中斷。具體如何處理，見下面我們關於中斷部分的分析。
問題 6：作業系統如何知道使用者按了哪個鍵？這裡有一個和問題 5 類似的問題。作業系統是不斷主動觸發讀取鍵盤按鍵，還是每次鍵盤按鍵到來的時候都觸發一段屬於作業系統的程式呢？
顯然，後者更節省效率。
那麼誰能隨時隨地中斷作業系統的程式？ 誰有這個許可權？是管理員賬號嗎？ 當然不是，擁有這麼高許可權的應該是機器本身。
我們思考下這個模型，使用者每次按鍵，觸發一個 CPU 的能力，這個能力會中斷正在執行的程式，去處理按鍵。那 CPU 內部是不是應該有處理按鍵的程式呢？這肯定不行，因為我們希望 CPU 就是用來做計算的，如果 CPU 內部有自帶的程式，會把問題複雜化。這在軟體設計中，叫作耦合。CPU 的工作就是專注高效的執行指令。
因此，每次按鍵，必須有一個機制通知 CPU。我們可以考慮用匯流排去通知 CPU，也就是主機板在通知 CPU。
那麼 CPU 接收到通知後，如何通知作業系統呢？CPU 只能中斷正在執行的程式，然後切換到另一個需要執行的程式。說白了就是改變 PC 指標，CPU 只有這一種辦法切換執行的程式。這裡請你思考，是不是隻有這一種方法：CPU 中斷當前執行的程式，然後去執行另一個程式，才能改變 PC 指標？
接下來我們進一步思考，CPU 怎麼知道 PC 指標應該設定為多少呢？是不是 CPU 知道作業系統響應按鍵的程式位置呢？
答案當然是不知道。
因此，我們只能控制 CPU 跳轉到一個固定的位置。比如說 CPU 一收到主機板的資訊（某個按鍵被觸發），CPU 就馬上中斷當前執行的程式，將 PC 指標設定為 0。也就是 PC 指標下一步會從記憶體地址 0 中讀取下一條指令。當然這只是我們的一個思路，具體還需要進一步考慮。而作業系統要做的就是在這之前往記憶體地址 0 中寫一條指令，比如說讓 PC 指標跳轉到自己處理按鍵程式的位置。
講到這裡，我們總結一下，CPU 要做的就是一看到中斷，就改變 PC 指標（相當於中斷正在執行的程式），而 PC 改變成多少，可以根據不同的型別來判斷，比如按鍵就到 0。作業系統就要向這些具體的位置寫入指令，當中斷髮生時，接管程式的控制權，也就是讓 PC 指標指向作業系統處理按鍵的程式。
問題 7：主機板如何知道鍵盤被按下?經過一層一層地深挖“如何設計響應鍵盤的整個鏈路？”這個問題，目前作業系統已經能接管按鍵，接下來，我們還需要思考主機板如何知道有按鍵，並且通知 CPU。
你可以把鍵盤按鍵看作按下了某個開關，我們需要一個晶片將按鍵資訊轉換成具體按鍵的值。比如使用者按下 A 鍵，A 鍵在第幾行、第幾列，可以看作一個電學訊號。接著我們需要晶片把這個電學訊號轉化為具體的一個數字（一個 Byte）。轉化完成後，主機板就可以接收到這個數字（按鍵碼），然後將數字寫入自己的一個暫存器中，並通知 CPU。
為了方便 CPU 計算，CPU 接收到主機板通知後，按鍵碼會被存到一個暫存器裡，這樣方便處理按鍵的程式執行。
思路的整理：中斷的設計整體設計分成了 3 層，第一層是硬體設計、第二層是作業系統設計、第三層是程式語言的設計。
按鍵碼的收集，是鍵盤晶片和主機板的能力。主機板知道有新的按鍵後，通知 CPU，CPU 要中斷當前執行的程式，將 PC 指標跳轉到一個固定的位置，我們稱為一次中斷（interrupt）。
考慮到系統中會出現各種各樣的事件，我們需要根據中斷型別來判斷PC 指標跳轉的位置，中斷型別不同，PC 指標跳轉的位置也可能會不同。比如按鍵程式、印表機就緒程式、系統異常等都需要中斷，例如系統呼叫，也需要中斷正在執行的程式，切換到核心態執行核心程式。
因此我們需要把不同的中斷型別進行分類，這個型別叫作中斷識別碼。比如按鍵，我們可以考慮用編號 16，數字 16 就是按鍵中斷型別的識別碼。不同型別的中斷髮生時，CPU 需要知道 PC 指標該跳轉到哪個地址，這個地址，稱為中斷向量（Interupt Vector）。
你可以考慮這樣的實現：當編號 16 的中斷髮生時，32 位機器的 PC 指標直接跳轉到記憶體地址 16*4 的記憶體位置。如果設計最多有 255 箇中斷，編號就是從 0~255，剛好需要 1K 的記憶體地址儲存中斷向量——這個 1K 的空間，稱為中斷向量表。
32位剛好是4個位元組，也就是說255個4位元組就可以儲存整個向量表.
因此 CPU 接收到中斷後，CPU 根據中斷型別操作 PC 指標，找到中斷向量。作業系統必須在這之前，修改中斷向量，插入一條指令。比如作業系統在這裡寫一條Jump指令，將 PC 指標再次跳轉到自己處理對應中斷型別的程式。
作業系統接管之後，以按鍵程式為例，作業系統會進行一些處理，包括下面的幾件事情：
將按鍵放入一個佇列，儲存下來。這是因為，作業系統不能保證及時處理所有的按鍵，比如當按鍵過快時，需要先儲存下來，再分時慢慢處理。
計算組合鍵。可以利用按下、釋放之間的時間關係。
經過一定計算將按鍵抽象成訊息（事件結構或物件）。
提供 API 給應用程式，讓應用程式可以監聽作業系統處理後的訊息。
分發按鍵訊息給監聽按鍵的程式。
所以程式在語言層面，比如像 Java/Node.js 這種擁有虛擬機器的語言，只需要對接作業系統 API 就可以了。
中斷的型別按照中斷的觸發方分成同步中斷和非同步中斷；
根據中斷是否強制觸發分成可遮蔽中斷和不可遮蔽中斷。
中斷可以由 CPU 指令直接觸發，這種主動觸發的中斷，叫作同步中斷。同步中斷有幾種情況。
系統呼叫，需要從使用者態切換核心態，這種情況需要程式觸發一箇中斷，叫作陷阱（Trap），中斷觸發後需要繼續執行系統呼叫。還有一種同步中斷情況是錯誤（Fault），通常是因為檢測到某種錯誤，需要觸發一箇中斷，中斷響應結束後，會重新執行觸發錯誤的地方，比如缺頁中斷 pagefault。程式的異常，這種情況和 Trap 類似，用於實現程式丟擲的異常。另一部分中斷不是由 CPU 直接觸發，是因為需要響應外部的通知，比如響應鍵盤、滑鼠等裝置而觸發的中斷。這種中斷我們稱為非同步中斷。
CPU 通常都支援設定一個中斷遮蔽位（一個暫存器），設定為 1 之後 CPU 暫時就不再響應中斷。對於鍵盤滑鼠輸入，比如陷阱、錯誤、異常等情況，會被臨時遮蔽。但是對於一些特別重要的中斷，比如 CPU 故障導致的掉電中斷，還是會正常觸發。可以被遮蔽的中斷我們稱為可遮蔽中斷，多數中斷都是可遮蔽中斷。
這也可以解釋為什麼有的程式不能被ctrl + c終結.
問題1： Java/Js 等語言為什麼可以捕獲到鍵盤輸入？為了捕獲到鍵盤輸入，硬體層面需要把按鍵抽象成中斷，中斷 CPU 執行。CPU 根據中斷型別找到對應的中斷向量。作業系統預置了中斷向量，因此發生中斷後作業系統接管了程式。作業系統實現了基本解析按鍵的演算法，將按鍵抽象成鍵盤事件，並且提供了佇列儲存多個按鍵，還提供了監聽按鍵的 API。因此應用程式，比如 Java/Node.js 虛擬機器，就可以透過呼叫作業系統的 API 使用鍵盤事件。
問題2：作業系統可以處理鍵盤按鍵可以理解，那麼我們開機的時候也可以使用鍵盤，但是那時候作業系統還沒有載入記憶體，這個怎麼解釋？主機板的一塊 ROM 上往往還有一個簡化版的作業系統，叫 BIOS（Basic Input/Ouput System）。在 OS 還沒有接管計算機前，先由 BIOS 管理機器，並協助載入 OS 到記憶體。早期的 OS 還會利用 BIOS 的能力，現代的 OS 接管後，就會替換掉 BIOS 的中斷向量。