从零开始搭建环境编写操作系统 AT&T GCC （四）绘制界面

　　昨天写了一晚上的文章说没就没了？？？！！！一夜回到解放前啊，csdn不应该做出点补偿么……从头再来，也没有什么关系嘛。
　　今天的主要内容是整理文件，改正之前的几个错误点，简单讲一下ＶＧＡ，然后写几个绘制界面的函数。
一、整理文件
　　在system.s文件夹创建一个functions.s的文件，这个文件用于补充c语言不能编写的内容，比如底层硬件的in和out操作，关闭中断cli操作，暂停hlt操作。system和loader两个文件夹下的makefile我都进行了修改，使得系统可以进入gdb和monitor调试模式，便于发现系统的问题，首先将makefile贴上来。
　　loader makefile

run : loader.bin    dd if=$(BIN_DIR)/loader.bin of=$(BIN_DIR)/loader.img bs=512 count=1    dd if=$(BIN_DIR)/system.bin of=$(BIN_DIR)/system.img bs=1474048 count=1 conv=sync    dd if=$(BIN_DIR)/system.img of=$(BIN_DIR)/loader.img bs=512 seek=1 #   qemu-system-i386 -fda $(BIN_DIR)/loader.img -boot a -gdb tcp::1234 -S -monitor stdio     qemu-system-i386 -fda $(BIN_DIR)/loader.img -boot a -gdb tcp::1234 -monitor stdio loader.bin : loader.o Makefile loader.lds    ld -M --oformat binary -m elf_i386 -o $(BIN_DIR)/loader.bin $(OBJ_DIR)/loader.o -T loader.lds loader.o : loader.s Makefile    as --32 loader.s -o $(OBJ_DIR)/loader.o 

　　qemu-system-i386 -fda $(BIN_DIR)/loader.img -boot a -gdb tcp::1234 -monitor stdio ，这一行改动最大，-gdb tcp::1234是启动远程gdb调试，具体使用方法等单独拿出一节来讲，-monitor stdio是使用标准输入输出进行monitor调试，这个调试功能没有gdb功能丰富，但是可以观察所有registers寄存器的状态，还是必须要用的。
　　system makefile

system.bin : system.o Makefile system.lds main.o functions.o    ld -M -m elf_i386 -o $(BIN_DIR)/system.elf \    $(OBJ_DIR)/system.o $(OBJ_DIR)/functions.o $(OBJ_DIR)/main.o \    -T system.lds    objcopy -O binary $(BIN_DIR)/system.elf $(BIN_DIR)/system.bin system.o : system.s Makefile    as --32 system.s -o $(OBJ_DIR)/system.omain.o : main.c Makefile    gcc -c main.c -o $(OBJ_DIR)/main.o -m32functions.o : functions.s Makefile    as --32 functions.s -o $(OBJ_DIR)/functions.o

　　这个makefile的主要改动就是增加了functions.s的编译
　　
二、改正错误
　　1、如果继续我之前的环境编写下去，就会发现c语言中全局变量和静态变量无法使用，昨天用了大半天的时间查找这个问题，在这里记录一下变量的存储方式。
　　全局变量和静态变量是存储在.data段和.bss段内的，已经初始化的变量放在.data段内，未初始化的变量放在.bss段内。局部变量使用栈的方式存储。所以无法使用静态变量一定是向.data段的寻址出现了问题，寻址问题一般出现在段的划分上，恍然大悟，之前把ds的基址直接放在了0xa0000的位置上，寻址的时候自然也是以这个位置作为首地值，这个问题还没有想出一个好的解决方法，暂时把ds的基址定为0，把段限定为4G，就是数据段的地址与内存物理地址一一对应，lds文件要这么写：
　　

SECTIONS{    . = 0x8200;    .text :    {        *(.text)    }    .data : { *(.data) }    .bss : { *(.bss) }}

　　2、当程序越写越大，就会发现出现各种奇怪的错误，后来一条条指令debug终于发现了第二个弱智错误，我把GDT表放在了0x8400处，程序从0x8200处开始运行，只有0x200,512字节的空间可以放下我们的程序，否则就会把GDT覆盖，这种错误也是醉了，不知道刚开始怎么想的。所以我把GDT表放到了0x90000处，这样就有接近64KB的空间放我们的这个小系统了，当系统再大时，我们就在loader中初始化gdt，然后把程序放到更大的内存空间里，现在就暂时这样写了。另外，GDT#1即代码段的段限只有512字节，已经忘记刚开始为什么要这么设计了，把它改成ffff，把段限改成64KB。再检查一下，ss有28KB，cs有64KB，ds有4G，没问题了。
　　吸取经验，要把系统有关的所有重要信息记录下来，要不然写到后面就忘记了。
　　　再看一下system.s：

.code16.section .text.set    CYLS,   0X0FF0.set    LEDS,   0X0FF1.set    VMODE,  0X0FF2.set    SCRNX,  0X0FF4.set    SCRNY,  0X0FF6.set    VRAM,   0X0FF8start:    movb    $0x13, %al    movb    $0x00, %ah    int $0x10    movb    $8,    VMODE    movw    $320,  SCRNX    movw    $200,  SCRNY    movl    $0x000a000,    VRAM    movb    $0x02, %ah    int $0x16    mov %al,    LEDS    movw    %cs,    %ax    movw    %ax,    %ds    movw    %ax,    %es    movw    %ax,    %ss    movw    $0x100,    %sp########################################start 32############set GDT    movl    gdt_base,   %eax############0# empty GDT    movl    $0x00000000,   0(%eax)    movl    $0x00000000,   4(%eax)############1# code GDT    movl    $0x8200ffff,   8(%eax)    movl    $0x00409a00,   12(%eax)############2# data GDT    movl    $0x0000ffff,   16(%eax)    movl    $0x00cf9200,   20(%eax)############3# stack GDT    movl    $0x00007a00,   24(%eax)    movl    $0x00409600,   28(%eax)#close interrupt    cli     lgdt    gdt_size    #configuration  #turn on A2    inb     $0x92,     %al    orb $0x02,     %al    outb    %al,        $0x92#configure CR0    movl    %cr0,       %eax    orl $1,        %eax    movl    %eax,       %cr0#protect mode start    ljmp    $0x0008,$(start_protect-start) #16位描述子：32位位移start_protect:.code32    movw    $0x0010,   %ax    movw    %ax,        %ds    movw    $0x0010,   %ax    movw    %ax,        %ss    movl    $0x00007a00,   %esp    call    SysMaingdt_size:   .word   31gdt_base:   .long   0x9000 #定义GDT位置

　　
三、简单讲一下ＶＧＡ
　　ＶＧＡ是很久以前制定的一套标准，所以分辨率是很低的，现在的高分辨标准由VESA制定，称为SVGA，超级VGA，其提供了大量的bios驱动，具体的实现方法我也没有研究过，感兴趣的百度吧，这里就暂时用《30天自制操作系统》上的操作方式，等后期全部完成后可以再研究这个方面。
　　VGA的修改画面额方式非常简单，就是向0xa0000这个内存地址存入数据即可，0xa0000~0x0affff这一段内存地址放有显存，这一段内存地址存储的数据和画面上的像素点的颜色一一对应，所以只需要向这一段地址写入数据，就可以改变画面上的颜色，这一种UI方式跟ARM还是很相似的。

四、具体实现

　　1、functions.s的代码

.code32.section .text.global FunctionHlt.global FunctionOut8, FunctionOut16, FunctionOut32.global FuntionIn8, FuntionIn16, FuntionIn32.global FunctionCli, FuntionSti.global FunctionLoadEflags, FunctionStoreEflagsFunctionHlt:    #void FunctionHlt(void)    hlt    retFunctionOut8:   #void FunctionOut8(int port, int data)    movl    4(%esp),    %edx    movb    8(%esp),    %al    outb    %al,        %dx    retFunctionOut16:  #void FunctionOut16(int port, int data)    movl    4(%esp),    %edx    movw    8(%esp),    %ax    outw    %ax,        %dx    retFunctionOut32:  #void FunctionOut32(int port, int data)    movl    4(%esp),    %edx    movl    8(%esp),    %eax    outl    %eax,       %dx    retFuntionIn8: #int FunctionIn8(int port)    movl    4(%esp),    %edx    movb    $0,        %al    inb %dx,        %al    retFuntionIn16:    #int FunctionIn16(int port)    movl    4(%esp),    %edx    movw    $0,        %ax    inw %dx,        %ax    retFuntionIn32:    #int FunctionIn32(int port)    movl    4(%esp),    %edx    movl    $0,        %eax    inl %dx,        %eax    retFunctionCli:    #void FunctionCli(void)    cli    retFuntionSti: #void FunctionSti(void)    sti    retFunctionLoadEflags: #int FunctionLoadEflags(void)    pushf    pop %eax    retFunctionStoreEflags:    #void FunctionStoreEflags(int eflags)    mov 4(%esp),    %eax    push    %eax    popf    ret

　　这一段代码中实现了out,in,cli,hlt，标志位的存取这些C语言不能直接实现的功能。out，in由于操作的位数不同，所以提供了不同的操作函数。
　　这里还有一点可以提一下，就是函数的传参数方式，不同的平台有完全不同的传参方式，比如arm平台用r0，r1，r2……等传参数，x64平台用通用寄存器传参，但是x86平台是用栈的方式进行参数传递的，函数的参数从右到左依次入栈，被调用的函数就可以从栈中取出所需要的参数，返回值传入eax寄存器。
　2、main.c代码
　前面提到了，如果想要改变画面的颜色，只需要往0xa0000~0xaffff这个地址中存数据就可以了，每一个地址对应了一个像素块的颜色，一个地址对应一个字节，所以我们只有256种颜色可以使用，如果你这么想就错了，因为vga给我们提供了一个功能叫做调色板，调色板是这样一个东西：有256个编号，每个编号对应一个颜色。设置的时候，可以设置“1号颜色为#FFFFFF，2号颜色为#FFFFCC，……”，显卡会保存这些设置。然后我们只需要向地址中存入几号颜色，对应的像素就会称为相应的颜色。我们现在使用的模式是320*200的窗口大小，内存地址横向扫描，也就是说一行一行的存储，0xa0000是左上角（0,0）点的颜色，0xa0001是左上角（1,0）点的颜色，所以某一个像素对应的内存地址很容易计算出来：
　　行×320+列+0xa0000就是对应的像素内存了，至于怎么画图就是数学问题了。
　　至于怎么操作调色板呢，vga给出了很标准的步骤，在这插上一嘴，当不会实现某种功能的时候，去官网上找手册，手册永远是最清晰最准确的。因为官方文档是英文的（我查过了，讲的非常详细），所以把中文的操作步骤给出来，极度简化版：
　　1、记录中断许可标志的值；
　　2、将中断许可标志置为0，禁止中断；
　　3、将调色板号码写入0x03c8,然后按照R G B的顺序写入0x03c9.
　　4、复位中断许可标志
　　调色板到此也完成了。我随便设置了几个颜色。
　　

void InitPalette(){    int i,eflags;    static unsigned char table_rgb [PALETTE_NUMBER*3] = {    0xFF,0xFF,0xFF, //0、白色    0xDD,0xDD,0xDD,     0xC0,0xC0,0xC0,    0x96,0x96,0x96,    0x80,0x80,0x80,    0x64,0x64,0x64,    0x4B,0x4B,0x4B,    0x24,0x24,0x24,    0x00,0x00,0x00, //8.黑色    0xFF,0xFF,0x00, //9、黄色    0xFF,0xCC,0x00, //10、淡橙色    0xFF,0x99,0x00, //11、深橙色    0xFF,0x66,0x00, //12、更深的橙色    0xFF,0x00,0x00  //13、红色    };    eflags = FunctionLoadEflags();    FunctionCli();    FunctionOut8(0x03c8,0);    for (i=1;i<=PALETTE_NUMBER;i++)    {        FunctionOut8(0x03c9,table_rgb[3*i-3]);        FunctionOut8(0x03c9,table_rgb[3*i-2]);        FunctionOut8(0x03c9,table_rgb[3*i-1]);    }    FunctionStoreEflags(eflags);    return;}

　　我写了最简单的画方块的函数，因为画圆，画直线都涉及数学算法，大家要开动脑筋自己想啦。
　　main.c完整代码：

extern void FunctionCli(void);extern void FunctionOut8(int port, int data);extern int FunctionLoadEflags(void);extern void FunctionStoreEflags(int eflags);void InitPalette();void DrawRectangle(int x1,int y1,int x2,int y2,int color);#define PALETTE_NUMBER 14void SysMain(){    InitPalette();    DrawRectangle(10,10,100,100,10);    DrawRectangle(50,50,150,150,11);    DrawRectangle(100,100,200,200,12);    while(1);}void InitPalette(){    int i,eflags;    static unsigned char table_rgb [PALETTE_NUMBER*3] = {    0xFF,0xFF,0xFF, //0、白色    0xDD,0xDD,0xDD,     0xC0,0xC0,0xC0,    0x96,0x96,0x96,    0x80,0x80,0x80,    0x64,0x64,0x64,    0x4B,0x4B,0x4B,    0x24,0x24,0x24,    0x00,0x00,0x00, //8.黑色    0xFF,0xFF,0x00, //9、黄色    0xFF,0xCC,0x00, //10、淡橙色    0xFF,0x99,0x00, //11、深橙色    0xFF,0x66,0x00, //12、更深的橙色    0xFF,0x00,0x00  //13、红色    };    eflags = FunctionLoadEflags();    FunctionCli();    FunctionOut8(0x03c8,0);    for (i=1;i<=PALETTE_NUMBER;i++)    {        FunctionOut8(0x03c9,table_rgb[3*i-3]);        FunctionOut8(0x03c9,table_rgb[3*i-2]);        FunctionOut8(0x03c9,table_rgb[3*i-1]);    }    FunctionStoreEflags(eflags);    return;}void DrawRectangle(int x1,int y1,int x2,int y2,int color){    int i,j;    char *p;    for (i=y1;i<=y2;i++)    {        for (j=x1;j<=x2;j++)        {            p = (char*)(0xa0000 + 320 * i + j);            *p = color;        }    }    return;}

这是我随便画的三个方块