Day4 C语言与画面显示练习

1. harib01a例程

上一章主要是将画面搞成黑屏，如果期望做点什么图案，只需要再VRAM里写点什么就好了，使用nask汇编语言实现一个函数write_mem8，定义在naskfunc.nas文件中，用来对指定内存地址写入内容。

	GLOBAL	_write_mem8		; 同样需要在GLOBAL标签下添加一个函数名，并下划线前缀
_write_mem8:	; void write_mem8(int addr, int data);MOV		ECX,[ESP+4]		; [ESP+4]中存放的是第一个参数addr，将该地址读到ECX寄存器中MOV		AL,[ESP+8]		; [ESP+8]中存放的是第二个参数data，将该数据读到AL寄存器中MOV		[ECX],ALRET

该函数相当于汇编语言MOV BYTE[addr], data。与c语言联合使用的话，可以被自由使用的寄存器只有EAX，ECX和EDX，其他寄存器只能读，不可写。
此外，还在naskfunc.nas文件中，头部位置，添加了一条INSTRSET指令：

[INSTRSET "i486p"]		; 指定486的Intel系列 CPU指令

该指令用于告诉编译器汇编器nask，本程序是用作486的，EAX是一个寄存器，而不是一个随手定义的label。因为8086时代，可能存在EAX最为一个label的情况。英特尔系列CPU的发展是这样的：8086 -> 80186 -> 286 -> 386 -> 486 -> Pentium -> PentiumPro -> Pentium II -> Pentium III -> Pentium4 -> …。到286为止是16位，386开始就是32位了。
当前又存在了一个写内存的函数，修改bootpack.c为：

// bootpack.c
void io_hlt(void);
void write_mem8(int addr, int data);void HariMain(void)
{int i = 0;for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++) {/* MOV BYTE [i],15 */write_mem8(i, 15);	// 对显卡写入第15(hex表示为0x0f)种颜色，白色}for (;;) {io_hlt();}
}

至于为啥在0xa0000地址开始写内容，可以参考Day3的“6. harib00h例程”章节。
编译并执行之后会显示一个白屏：

2. harib01b例程

把harib01a例程运行的白屏效果变为条纹效果。

仅修改write_mem8函数调用传入的第二个参数：

	for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++) {write_mem8(i, i & 0x0f);	// 往i地址中写入 i&0x0f}

• 使特定bit为1，使用OR按位或运算|。
• 使特定bit为0，使用AND按位与运算&。
• 使特定bit反转，使用XOR按位异或运算^。

本次代码中使用i和0x0f进行AND运算，高4bits全部为0，低4bits保留不变。编译并运行的效果是：

3. harib01e例程

使用指针可以写成

	char *p = (char *) 0xa0000;for (i = 0; i <= 0xffff; i++) {// *(p + i) = i & 0x0f;p[i] = i & 0x0f;}

由于*(p+i) 与p[i]等价，因此也与 *(i+p)，所以p[i]也可以写成i[p]。

4. harib01f例程

调色板（palette）：用8bits的颜色名来表示24bits种类的颜色，例如2号（8bits）颜色就是#ff0000（亮红），3号颜色就是#00ff0（亮绿）。对以下这几种颜色编号：

开始描绘有色彩的操作系统，修改bootpack.c文件：

void io_hlt(void);
void io_cli(void);					// 禁止中断，将中断许可标志设置为0
void io_out8(int port, int data);	// 往指定装置写数据
int io_load_eflags(void);			// 读取最初的eflags值
void io_store_eflags(int eflags);	// 恢复中断许可void init_palette(void);
void set_palette(int start, int end, unsigned char *rgb);void HariMain(void)
{int i; char *p; init_palette(); /* 调用初始化调色板 */p = (char *) 0xa0000; for (i = 0; i <= 0xffff; i++) {p[i] = i & 0x0f;		// 绘制条纹图案}for (;;) {io_hlt();}
}void init_palette(void)
{static unsigned char table_rgb[16 * 3] = {0x00, 0x00, 0x00,	/*  0:黑 */0xff, 0x00, 0x00,	/*  1:亮红 */0x00, 0xff, 0x00,	/*  2:亮绿 */0xff, 0xff, 0x00,	/*  3:亮黄 */0x00, 0x00, 0xff,	/*  4:亮蓝 */0xff, 0x00, 0xff,	/*  5:亮紫 */0x00, 0xff, 0xff,	/*  6:浅亮紫 */0xff, 0xff, 0xff,	/*  7:白 */0xc6, 0xc6, 0xc6,	/*  8:亮灰 */0x84, 0x00, 0x00,	/*  9:暗红 */0x00, 0x84, 0x00,	/* 10:暗绿 */0x84, 0x84, 0x00,	/* 11:暗黄 */0x00, 0x00, 0x84,	/* 12:暗青 */0x84, 0x00, 0x84,	/* 13:暗紫 */0x00, 0x84, 0x84,	/* 14:浅暗蓝 */0x84, 0x84, 0x84	/* 15:暗灰 */};set_palette(0, 15, table_rgb);return;
}void set_palette(int start, int end, unsigned char *rgb)
{int i, eflags;eflags = io_load_eflags();	/* 记录中断许可标志的值 */io_cli(); 					/* 将中断许可标志设置为0 */io_out8(0x03c8, start);		/* 往指定装置写数据 */for (i = start; i <= end; i++) {io_out8(0x03c9, rgb[0] / 4);io_out8(0x03c9, rgb[1] / 4);io_out8(0x03c9, rgb[2] / 4);rgb += 3;}io_store_eflags(eflags);	/* 复原中断许可标志 */return;
}

CPU的管脚与内存相连，以完成计算和存储的功能。此外，还要与其他设备相连（例如，对键盘输入有相应，通过网卡从网络取得信息，通过声卡发送音乐数据，向软盘写信息等）。CPU向设备发出电信号的是OUT指令，从设备取得电信号的是IN指令。在两种指令中，为了区别不同的设备，也需要使用设备的号码（称为“port”，意为港口），可以理解为CPU与设备交换信号的行为类似于船舶的出港和进港。
代码中的0x03c8和0x03c9正是访问调色板需要访问的必要port。调色板的访问步骤：

• 首先在一连串的访问中屏蔽中断（CLI）。
• 将期望设定的调色板号码写入0x03c8，然后按照R G B顺序写入0x03c9。如果还想继续设定下一个调色板，则省略调色板号码，接着按照R G B顺序写入0x03c9即可。
• 如果期望读出当前调色板的状态，首先将调色板号码写入0x03c7，在从0x03c9处读取3次，读出的顺序就是R G B。如果还想继续读出下一个调色板，同样忽略调色板号码的设定，接着按照R G B顺序读出。
• 如果最初执行了屏蔽中断CLI，则最后需要恢复中断STI。

CLI屏蔽中断，就是将中断标志置为0的指令，即忽略中断请求；STI就是将中断标志置为1的指令，即处理中断请求。
可以通过一个FLAGS或EFLAGS（extend FLAGS，扩展的32位寄存器）寄存器查看中断标志和进位标志等。虽然进位标志标志可以通过JC或JNC指令简单判断，但是中断标志没有对应的间接读取指令。FLAGS中0bit是进位标志，9bit是中断标志。

在naskfunc.nas中实现常用的基础函数：

; naskfunc
; TAB=4[FORMAT "WCOFF"]				; 制作目标文件的模式
[INSTRSET "i486p"]				; 使用486支持的指令
[BITS 32]						; 适用于32位机器
[FILE "naskfunc.nas"]			; 源程序文件名GLOBAL	_io_hlt, _io_cli, _io_sti, _io_stihltGLOBAL	_io_in8,  _io_in16,  _io_in32GLOBAL	_io_out8, _io_out16, _io_out32GLOBAL	_io_load_eflags, _io_store_eflags[SECTION .text]_io_hlt:	; void io_hlt(void);HLTRET_io_cli:	; void io_cli(void);CLIRET_io_sti:	; void io_sti(void);STIRET_io_stihlt:	; void io_stihlt(void);STIHLTRET_io_in8:	; int io_in8(int port);MOV		EDX,[ESP+4]		; portMOV		EAX,0IN		AL,DXRET_io_in16:	; int io_in16(int port);MOV		EDX,[ESP+4]		; portMOV		EAX,0IN		AX,DXRET_io_in32:	; int io_in32(int port);MOV		EDX,[ESP+4]		; portIN		EAX,DXRET_io_out8:	; void io_out8(int port, int data);MOV		EDX,[ESP+4]		; portMOV		AL,[ESP+8]		; dataOUT		DX,ALRET_io_out16:	; void io_out16(int port, int data);MOV		EDX,[ESP+4]		; portMOV		EAX,[ESP+8]		; dataOUT		DX,AXRET_io_out32:	; void io_out32(int port, int data);MOV		EDX,[ESP+4]		; portMOV		EAX,[ESP+8]		; dataOUT		DX,EAXRET_io_load_eflags:	; int io_load_eflags(void);PUSHFD		; PUSH EFLAGS POP		EAXRET_io_store_eflags:	; void io_store_eflags(int eflags);MOV		EAX,[ESP+4]PUSH	EAXPOPFD		; POP EFLAGSRET

能够读写EFLAGS的指令只有PUSHFD（push flags double-words）和POPFD（pop flags double-words），即将标志按4字节压入或弹出栈，MOV指令不可用。
代码中PUSHFD POP EXA就类似MOV EXA, EFLAGS，与之对应，PUSH EXA POPFD就类似MOV EFLAGS, EXA。
_io_load_eflags函数是一个具有返回值的函数，当执行RET指令时，EXA寄存器的值被用作返回。
此时执行的效果，颜色变得更丰富了：

5. harib01h例程

在当前的画面模式中，画面上有320*200（=64000）个像素点，假设左上点的坐标为（0，0），则右下角的坐标为（319，199）。因此，像素（x, y）对应的VRAM地址为0xa0000 + x + y*320。其他的画面模式也类似，差别只在起始地址和y的系数。
根据这个计算公式的规律就可以对像素点对应的地址设置颜色：

void io_hlt(void);
void io_cli(void);
void io_out8(int port, int data);
int io_load_eflags(void);
void io_store_eflags(int eflags);// 初始化调色板，无画图
void init_palette(void);
// 设置调色板，被初始化函数调用
void set_palette(int start, int end, unsigned char *rgb);
// 画图，对显卡赋值
void boxfill8(unsigned char *vram, int xsize, unsigned char c, int x0, int y0, int x1, int y1);#define COL8_000000		0
#define COL8_FF0000		1
#define COL8_00FF00		2
#define COL8_FFFF00		3
#define COL8_0000FF		4
#define COL8_FF00FF		5
#define COL8_00FFFF		6
#define COL8_FFFFFF		7
#define COL8_C6C6C6		8
#define COL8_840000		9
#define COL8_008400		10
#define COL8_848400		11
#define COL8_000084		12
#define COL8_840084		13
#define COL8_008484		14
#define COL8_848484		15void HariMain(void)
{char *vram = (char *) 0xa0000;;int xsize = 320;int ysize = 200;init_palette();boxfill8(vram, xsize, COL8_008484,  0,         0,          xsize -  1, ysize - 29);boxfill8(vram, xsize, COL8_C6C6C6,  0,         ysize - 28, xsize -  1, ysize - 28);boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF,  0,         ysize - 27, xsize -  1, ysize - 27);boxfill8(vram, xsize, COL8_C6C6C6,  0,         ysize - 26, xsize -  1, ysize -  1);boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF,  3,         ysize - 24, 59,         ysize - 24);boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF,  2,         ysize - 24,  2,         ysize -  4);boxfill8(vram, xsize, COL8_848484,  3,         ysize -  4, 59,         ysize -  4);boxfill8(vram, xsize, COL8_848484, 59,         ysize - 23, 59,         ysize -  5);boxfill8(vram, xsize, COL8_000000,  2,         ysize -  3, 59,         ysize -  3);boxfill8(vram, xsize, COL8_000000, 60,         ysize - 24, 60,         ysize -  3);boxfill8(vram, xsize, COL8_848484, xsize - 47, ysize - 24, xsize -  4, ysize - 24);boxfill8(vram, xsize, COL8_848484, xsize - 47, ysize - 23, xsize - 47, ysize -  4);boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF, xsize - 47, ysize -  3, xsize -  4, ysize -  3);boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF, xsize -  3, ysize - 24, xsize -  3, ysize -  3);for (;;) {io_hlt();}
}void boxfill8(unsigned char *vram, int xsize, unsigned char c, int x0, int y0, int x1, int y1)
{int x, y;for (y = y0; y <= y1; y++) {for (x = x0; x <= x1; x++)vram[y * xsize + x] = c;}return;
}

使用boxfill8函数代替最初的for循环绘制条纹，最终的效果是：