第4天 C語言與畫面顯示的練習

1.用C語言實現記憶體寫入

現在想要在螢幕上顯示點什麼東西，需要向VRAM中數據，雖然C語言可以寫記憶體，但我們還是先用匯編來完成這個工作吧。現在在naskfunc.c中新增點東西。

_write_mem8:    ; void write_mem8(int addr, int data);
    MOV ECX, [ESP + 4]      ; [ESP + 4]中存放的是地址，蔣其讀入ECX
    MOV AL, [ESP + 8]       ; [ESP + 8]中存放的是數據，將其讀入AL
    MOV [ECX], AL
    RET

在第二天的部落格中有一張CPU記憶體部分暫存器的表，SP表示16位元的棧指針暫存器，而此處ESP表示32位元的棧指針暫存器。函數的參數會按地址從低到高的順序存放在棧中，可以通過ESP取出參數。

這段程式碼的含義就是把data數據存入記憶體的addr地址中。另外，要與C語言聯合使用的話，能自由使用的暫存器就只有EAX、ECX和EDX，因此不能隨意更改程式碼中的暫存器。

naskfunc.c中還新增了一個INSTRSET指令，由於書中有介紹就不多說了。

彙編部分完成了，就開始寫C語言程式碼了。

void io_hlt(void);
void write_mem8(int addr, int data);

void HariMain(void)
{
    int i;

    for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++)
    {
        write_mem8(i, 15);  /* MOV BYTE [i], 15 */
    }

    while (1)
    {
        io_hlt();
    }
}

不會C語言語法的讀者就先去學學C語言吧，相信我，那會事半功倍的。

這段程式碼是將地址0xa0000~0xaffff的記憶體全部寫入15，然後一直死回圈。

來執行看看效果吧。

一片白色，正是我們想要的效果。

2.條紋圖案

改成條紋圖案的操作倒是很簡單，只需要改一行程式碼：

for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++)
{
    write_mem8(i, i & 0x0f);  /* MOV BYTE [i], 15 */
}

這裏用到了與運算，如之前所說，不介紹C語言的基礎語法，相信大家也能看懂。

這段程式碼就是把調色板的16種顏色全部顯示出來，並循環往復，我們設定的螢幕寬度是320畫素，是16的整數倍，所以相同的顏色會在同一列出現，形成條紋。

最後的執行效果如下：

這圖看久了眼睛都覺得有點花。

3.挑戰指針

指針作爲C語言的核心，自然是重中之重。什麼？你沒學過指針？那你學的什麼C語言。什麼？感覺指針太難了，學不會？那我只能說C語言不適合你，寫操作系統也不適合你，去學Java、Python或Php吧。

來看看使用指針後的程式碼吧。

int i;      /* int爲32位元 */
char *p;    /* BYTE型地址 */

for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++)
{
	p = (char*) i;
	*p = i & 0x0f;  /* 代替了write_mem8(i, i & 0x0f); */
}

p = (char*) i;這句程式碼中對i進行了型別轉換，雖然在這裏字元指針和整型數據都佔4位元組，但編譯器它不聽啊，你不按規矩來，他就報警告，雖然警告沒什麼影響，但眼不見心不煩嘛，0 error 0 warning聽起來多舒服。

執行一下看結果。

4.指針的應用（1）

對程式碼做點小小的修改：

p = (char *) 0xa0000;   /* 給地址變數賦值 */

for (i = 0; i <= 0xffff; i++)
{
	*(p + i) = i & 0x0f;
}

圖我就不放了，反正效果看上面的就行了。

5.指針的應用（2）

對程式碼做點小小的修改：

p = (char *) 0xa0000;   /* 給地址變數賦值 */

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

這和陣列操作差不多。

圖也不放了，偷懶。

6.色號設定

既然都能顯示顏色了，那自定義要顯示的顏色？當然可以！但是我們只能設定最多256種顏色，至於爲什麼只能設定256位，還記得我們在asmhead.nas中設定的8位元彩色模式吧。這個8位元彩色模式，是由程式設計師隨意指定0~255的數位所對應的顏色的。1個數字對應一種顏色，這種方式被稱爲調色板。

來看看程式碼吧。

void init_palette(void)
{
    static unsigned char table_rgb[16 * 3] = 
    {
        0x00, 0x00, 0x00,   /* 0:黑 */
        0xff, 0x00, 0x00,   /* 1:亮紅 */
        0x00, 0xff, 0x00,   /* 2:亮綠 */
        0xff, 0xff, 0x00,   /* 3:亮黃 */
        0x00, 0x00, 0xff,   /* 4:亮藍 */
        0xff, 0x00, 0xff,   /* 5:亮紫 */
        0x00, 0xff, 0xff,   /* 6:淺亮藍 */
        0xff, 0xff, 0xff,   /* 7:白 */
        0xc6, 0xc6, 0xc6,   /* 8:亮灰 */
        0x84, 0x00, 0x00,   /* 9:暗紅 */
        0x00, 0x84, 0x00,   /* 10:暗綠 */
        0x84, 0x84, 0x00,   /* 11:暗黃 */
        0x00, 0x00, 0x84,   /* 12:暗藍 */
        0x84, 0x00, 0x84,   /* 13:暗紫 */
        0x00, 0x84, 0x84,   /* 14:淺暗藍 */
        0x84, 0x84, 0x84    /* 15:暗灰 */
    };
    set_palette(0, 15, table_rgb);
}

這個函數的作用就是定義顏色數據，然後將數據傳入下一個函數中進行處理。

這裏我們得先講講一些彙編程式碼，因爲下面下麪的C語言程式需要用到彙編語言編寫的函數。作者搞事啊，一下子蹦出這麼多函數，我就挑幾個來講講好了。

_io_in8:    ; int io_in8(int port)
    MOV EDX, [ESP + 4]      ; port
    MOV EAX, 0
    IN  AL, DX
    RET

_io_out8:   ; void io_out8(int port, int data);
    MOV EDX, [ESP + 4]      ; port
    MOV AL, [ESP + 8]       ; data
    OUT DX, AL
    RET

_io_in8用於從埠讀入一個位元組，_io_out8用於向埠輸出一個位元組。其中，IN和OUT都是彙編中的I/O操作指令，IN用於從埠讀取數據，OUT用於向埠寫入數據。

如：IN AL, 21H表示從21H埠讀取一個位元組數據到AL。

IN AX, 21H表示從21H埠讀取兩個位元組數據到AX（21H埠的數據放入AL，22埠的數據放入AH）

OUT 21H, AL表示將AL的值寫入21H埠

OUT 21H, AX表示將AX的值寫入埠地址21H開始的兩個位元組（AL寫入21H埠，AH寫入22H埠）

注：當I/O地址大於FFH時，地址需放入DX中，而且數據傳輸只能通過使用EAX，AX或AL。

_io_cli:    ; void io_cli(void);
    CLI
    RET

_io_sti:    ; void io_sti(void);
    STI
    RET

CLI指令用於禁止中斷髮生，STI指令用於允許中斷髮生。所以這兩函數的功能也顯而易見。

_io_load_eflags:    ; int io_load_eflags(void);
    PUSHFD          ; 將標誌暫存器數據壓入棧中
    POP EAX
    RET

_io_store_eflags:   ; void io_store_eflags(int eflags);
    MOV EAX, [ESP + 4]
    PUSH    EAX
    POPFD           ; 將數據寫入標誌暫存器中
    RET

這兩函數的主要內容都已經在註釋寫好了，而且關於棧操作書上也寫得很清楚，我就不多說了。接下來繼續介紹C語言檔案的函數。

void set_palette(int start, int end, unsigned char *rgb)
{
    int i, eflags;
    eflags = io_load_eflags();  /* 記錄中斷許可標誌的值 */
    io_cli();                   /* 將中斷許可標誌置爲0，禁止中斷 */
    io_out8(0x03c8, start);
    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);    /* 復原中斷許可標誌 */
}

首先用io_load_eflags儲存狀態暫存器的值，然後用io_cli將中斷標誌位置0（中斷標誌位在狀態暫存器上），禁止中斷，最後復原狀態暫存器的值，被修改的中斷標誌就會被修改回來。

程式碼中分別對0x3C8和0x3C9埠進行了操作，這兩個埠的操作步驟如下：

遮蔽中斷
將想要設定的調色板號碼寫入0x3C8，緊接着，按R、G、B的順序寫入0x3C9。如果還想繼續設定下一個調色板，則省略調色板號碼，再按照RGB的順序寫入0x3C9就行了。
恢復中斷

程式的結果就是把調色板的數位0對應黑色，1對應紅色，……，15對應暗灰。其中有個奇怪的地方就是，io_out8(0x03c9, rgb[0] / 4);這段程式碼中，當rgb[0]=0xff時，程式碼中爲rgb[0]或rgb[0] / 4的效果是一樣的；但當rgb[0]=0x84時，效果也不一樣了。而且，當rgb[0]=0xff時，程式碼爲io_out8(0x03c9, rgb[0] / 4);和程式碼爲io_out8(0x03c9, 0xcf);的效果不一樣，也不知道是爲什麼。如果有人知道請務必在下方評論告訴我。

主程式並沒有什麼變化。讓我們看看修改後的效果。

可以看到從左到右依次是黑、紅、綠、黃……，和我們設定的一樣。

7.繪製矩陣

繪製矩陣是完成靠C語言程式邏輯實現的，而且並沒有什麼難度，相信讀者花一點時間也能琢磨出一個實現繪製矩陣的演算法。

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;
        }
    }
}

如下圖所示：

首先從(x0, y0)點開始填充畫素點，直到(x1, y0)，然後換行繼續填充，直到(x1, y1)。很簡單的程式邏輯。

說來慚愧，之前竟然把調色板的工作方式給忘了，所以面對COL8_000000這個定義是數位時還想了一會兒是怎麼回事。因爲調色板的工作方式，一個數字代表一個顏色，只要往VRAM中寫入數位，螢幕上會顯示數位相應的顏色。

主函數中新增了繪製矩陣的程式碼，沒什麼好講的，就直接看效果吧。

也不知道五彩斑斕的黑的顏色怎麼定義，我想畫出來。

8.今天的成果

大家期待的介面它來了！

先看看程式碼。

void HariMain(void)
{
    char *vram;    /* BYTE型地址 */
    int xsize, ysize;

    init_palette();         /* 設定調色板 */

    vram = (char *) 0xa0000;   /* 給地址變數賦值 */
    xsize = 320;
    ysize = 200;

    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);

    while (1)
    {
        io_hlt();
    }
}

老實說，程式碼沒什麼好講的。我就是來水字數的。下面下麪是介面效果。

這介面應該能和85年的Windows介面有的一拼。

今天的內容又結束了。本以爲出完第3天的部落格之後要等半個月才能纔能寫出這篇來，結果只花了3天時間。其中，2天學第7章的內容，1天時間寫這篇部落格。。。雖然部落格簡陋，內容也不多，也是花了我3小時才寫出來的。願與你繼續看第5天的部落格，雖然也沒寫，先留個坑再說，什麼時候學完了第8章什麼時候寫。我寫這麼多幹什麼，又沒人看。

《30天自制 自製操作系統》第4天