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Tu teclado detectó que presionaste la letra A, sus chips lo codifican en un scancode, este código es convertido en un señales eléctricas que se transmitirán por el cable USB al controlador que está conectado a la placa del ordenador. Este controlador detecta las señales eléctricas, las reconstruye en números binarios que almacena en un área de memoria del dispositivo, a continuación genera una solicitud de interrupción (IRQ) que será transmitida al microprocesador.
Esta interrupción está codificada y se recibe en el procesador en unas pins especiales para ellas, cuando llega la generada por la tecla que presionaste el procesador decide a qué core o procesador enviar esa petición (enrutamiento de interrupciones). Éste interrumpe lo que estaba ejecutando en ese momento, analiza el IRQ, accede a una tabla de interrupciones (que fue rellenada cuando el sistema operativo se inició) donde le indica la dirección de la rutina del kernel que debe ejecutar. Cambia los registros necesarios, posiblemente invalida (flush) las cache y TLB del proceso anterior, cambia el nivel de ejecución del procesador a uno de con más privilegios y pasa a ejecutar la dirección indicada en la tabla de interrupciones.
La rutina del núcleo del sistema operativo analiza los registros y llama al gestor del controlador USB, que puede acceder a la memoria del dispositivo vía instrucciones de E/S del procesaor para que copie los datos a la memoria RAM. También llamará al gestor específico de teclado por USB (lo más probable es que sea el usbhdi) que convierte el scancode original en un código de caracteres vía una tabla de conversión (o mapa del teclado).
Una vez realizada las operaciones de transferencia de datos desde el dispositivo, se llaman a las rutinas de E/S de caracteres del núcleo. Éstas analizan qué proceso es el que debe recibir esa entrada de teclado, si usas un GNU/Linux con interfaz gráfica el proceso es el servidor X (X.org), copian los datos al área de memoria de dicho proceso, lo desbloquean y llaman al scheduler para que decida qué proceso debe ejecutar a continuación.
Al desbloquearse el proceso, éste pasa de la lista de procesos bloqueado a la lista de procesos listos para ejecutar. Allí el servidor X competirá por el procesador con otros procesos, eventualmente será seleccionado por el scheduler, este procederá a preparar al procesador (o núcleo) para que lo ejecute (cambio de contexto o context switch), invalidará las caches del proceso anterior, preparará las tablas de páginas básicas, cambia el privilegio del procesador al de uno de proceso normal y finalmente transfiere el control al proceso X.
Éste continúa su ejecución desde la llamada epoll o select que hizo para recibir E/S, analiza los datos que le dejó el sistema operativo y decide que es un letra picada en el teclado (el editor de texto, o la terminal, o el navegador web….), analiza cuál era el proceso interactivo que tiene la ventana activa en ese momento, codifica el evento en el protocolo X11, y se lo envía a dicho proceso vía memoria compartido o socket UNIX.
Al enviar el mensaje a otro proceso, se llama otra vez a una rutina del sistema operativo en un proceso similar al IRQ inicial, pero esta vez iniciado por una instrucción especial (interrupción por software) que hace que el procesador la trate de forma similar, selecciona un procesador para que la trate, analiza el código de interrupción y los registros que dejó el programa, cambia a modo privilegiado y llama a la rutina del kernel que tratará esta interrupción (posiblemente las de UNIX socket).
Esta rutina mira en las tablas de sockets cuál es el proceso receptor (el editor, terminal, navegador…), copia los datos necesarios, desbloquea al proceso moviéndolo a la cola de listo para ejecutar y llama al scheduler.
Eventualmente el proceso que debe recibir esa letra A es seleccionado por el scheduler, pasa a ejecución, continúa su ejecución desde el select o epoll, analiza la entrada, decide que hay que mostrarlo en pantalla, codifica la información necesaria (caracter, tipo de letra, posición, color, etc.) y la envía nuevamente -mediante un mensaje en protocolo X11- al servidor X.
Se repite de nuevo el proceso, interrupción de software, llamada a una rutina del núcleo y desbloqueo del servidor X que eventualmente es ejecutado.
Éste analiza el mensaje, detecta que tiene que dibujar una letra en la pantalla y llama a sus rutinas de dibujo de fuentes TrueType. Estas rutinas recuperan la información de la fuente necesaria (consisten de puntos en 2D), aplican los fórmulas necesarias que definen cómo debe dibujarse en la pantalla y llaman a las rutinas de DRI del kernel que lo harán, vía ayuda del gestor de la placa gráfica, en un complicado procedimiento de sincronización entre el servidor X, el gestor de la placa y la propia placa gráfica (que es otro ordenador muy potente y complejo, con su propio “sistema operativo”).
La letra A es dibujada así en la memoria del back buffer de la tarjeta, también se dibujan las otras ventanas con complicadas combinaciones y copias (compositing) para intentar minimizar todo lo que hay que re-dibujar. Cuando el back buffer está completo, se notifica a la placa gráfica que lo intercambie con el front buffer (lo que se visualiza por la pantalla), ésta espera que llegue el momento justo de sincronización con el monitor (para que no parpadee con mezcla de imágenes de ambos buffers) y finalmente hace el cambio y puedes ver lo que esperabas:
Esta maravillosa coreografía de sincronización y paso de información ocurre cada vez que presionas una tecla, o mueves el ratón un pixel, o se empieza a bajar una imagen de la web. Y no sólo en tu PC o Mac, ocurre lo mismo en tu teléfono móvil, tu router WiFi, tu lector de libros, o tu smartwatch.
Todo esto que acabo de explicar ya funcionaba prácticamente igual desde finales de los años 70. Explico estas interacciones y algoritmos en mis clases de sistema operativo desde hace más de 20 años, pero nunca deja de maravillarme al nivel de complejidad y sofisticación al que hemos llegado en pocas décadas de informática.
