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从零开始搭建环境编写操作系统 AT&T GCC （四）绘制界面

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我是靠谱客的博主 幸福板栗，最近开发中收集的这篇文章主要介绍从零开始搭建环境编写操作系统 AT&T GCC （四）绘制界面，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

　　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.o

main.o : main.c Makefile
    gcc -c main.c -o $(OBJ_DIR)/main.o -m32

functions.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,   0X0FF8
start:
    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    SysMain


gdt_size:   .word   31
gdt_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, FunctionStoreEflags

FunctionHlt:    #void FunctionHlt(void)
    hlt
    ret

FunctionOut8:   #void FunctionOut8(int port, int data)
    movl    4(%esp),    %edx
    movb    8(%esp),    %al
    outb    %al,        %dx
    ret

FunctionOut16:  #void FunctionOut16(int port, int data)
    movl    4(%esp),    %edx
    movw    8(%esp),    %ax
    outw    %ax,        %dx
    ret

FunctionOut32:  #void FunctionOut32(int port, int data)
    movl    4(%esp),    %edx
    movl    8(%esp),    %eax
    outl    %eax,       %dx
    ret

FuntionIn8: #int FunctionIn8(int port)
    movl    4(%esp),    %edx
    movb    $0,        %al
    inb %dx,        %al
    ret

FuntionIn16:    #int FunctionIn16(int port)
    movl    4(%esp),    %edx
    movw    $0,        %ax
    inw %dx,        %ax
    ret

FuntionIn32:    #int FunctionIn32(int port)
    movl    4(%esp),    %edx
    movl    $0,        %eax
    inl %dx,        %eax
    ret

FunctionCli:    #void FunctionCli(void)
    cli
    ret

FuntionSti: #void FunctionSti(void)
    sti
    ret

FunctionLoadEflags: #int FunctionLoadEflags(void)
    pushf
    pop %eax
    ret

FunctionStoreEflags:    #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 14

void 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
这里写图片描述

最后

以上就是幸福板栗为你收集整理的从零开始搭建环境编写操作系统 AT&T GCC （四）绘制界面的全部内容，希望文章能够帮你解决从零开始搭建环境编写操作系统 AT&T GCC （四）绘制界面所遇到的程序开发问题。

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