zenglOX v0.0.2 VGA输出显示字符串
zenglong 2014-03-02 09:43:53
之前的v0.0.1版本什么输出也没有，在bochs下还可以通过gdb远程调试，知道内核在做些什么，但是放在virtualbox里就不知道内核在做什么了，所以如果能让内核在屏幕上输出显示一些字符串的话，对内核的调试开发都会有很大的帮助...
v0.0.2的项目地址如下：
github.com地址：https://github.com/zenglong/zenglOX (只包含git提交上来的源代码)
Dropbox地址：点此进入Dropbox网盘 (该版本位于zenglOX_v0.0.2的文件夹，该文件夹里的zip压缩包为源代码，PDF文档为VGA的编程手册)
sourceforge地址：https://sourceforge.net/projects/zenglox/files (该版本位于zenglOX_v0.0.2的文件夹，该文件夹里的zip压缩包为源代码，PDF文档为VGA的编程手册)
源代码编译调试方法请参考 v0.0.1的文章。
之前的v0.0.1版本什么输出也没有，在bochs下还可以通过gdb远程调试，知道内核在做些什么，但是放在virtualbox里就不知道内核在做什么了，所以如果能让内核在屏幕上输出显示一些字符串的话，对内核的调试开发都会有很大的帮助。
不过，控制显卡的输出显示可以说是内核开发的另一个难点，它需要有专门的驱动程序来做，如果你想自己做这样的驱动程序的话，也会遇到很多的困难，比如，如何调整屏幕的分辨率，如何访问修改屏幕上的某个像素，如何操作显卡里的寄存器等等。
庆幸的是，大部分显卡都是VGA兼容的，VGA是Video Graphics Array(视频图形阵列)的首字母缩写，是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的计算机显示标准。这个标准已对于现今的个人计算机市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人计算机在加载自己的专门的驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用的是VGA显示模式。
zenglOX是由GRUB来启动加载的，GRUB已经自动帮我们设置为VGA的彩色文本模式了，在该文本模式下，VGA的显存已通过硬件映射到我们可以访问到的线性地址空间里了，所以内核启动后，就可以直接像操作普通内存数据一样，操作VGA的显存了，在显存里设置的内容都会及时显示到屏幕上。
在VGA彩色文本模式下，显存的起始地址是0xB8000，该模式下，VGA可以在屏幕上显示输出80 x 25个字符，也就是可以显示25行，每行显示80个字符，其中的每个字符都由显存里的两个字节组成，较低的字节存储字符的ASCII码，较高字节存储字符的前景色和背景色，如下图所示：
图1
例如0xB8000对应的字节里包含的是屏幕左上角第一个字符的ASCII码，0xB8001对应的字节里，低4位里存储的是该字符的前景色，高4位里存储的是背景色，0xB8002里存储第二个字符，0xB8003里存储第二个字符的前景和背景色，以此类推。
由于前景色和背景色的二进制位数是4，所以可以表示16种不同的前景色，和16种不同的背景色，如下所示：
在屏幕上面，设置光标的位置也很重要，不过光标的位置设置涉及到VGA的寄存器，所以有必要先对VGA的寄存器做些介绍，在上面Dropbox和sourceforge项目地址里v0.0.2对应的文件夹里，我上传了一个EGA_VGA_Program_Manual.pdf文档，该文档是翻译过的EGA与VGA的编程手册，里面介绍了EGA和VGA的编程原理，VGA是兼容EGA的，所以对于EGA的介绍同样适用于VGA，在该pdf文档的第44页，即第三章 EGA的寄存器篇，就详细介绍了EGA与VGA里可用的寄存器。
对于外围设备，我们一般是通过I/O地址来访问这些设备里的寄存器的，但是，EGA里的寄存器数量很多，有将近六十个寄存器，VGA里的寄存器比EGA的还多，为了避免占用太多的处理器I/O地址，EGA的寄存器被复用为少量的I/O地址。在多数情况下，寄存器的存取需要两步完成。先通过一个I/O端口选择一个寄存器，再通过另一个I/O端口来读或写数据。
下面是EGA与VGA在彩色模式下的I/O地址映射：
图2
EGA与VGA的I/O地址按功能作了逻辑划分。CRT控制器，图形控制器，属性控制器和时序发生器都有各自的地址集。
在zenglOX v0.0.2里控制光标位置，主要用到CRT控制器，CRT控制器里也有很多寄存器，每个寄存器都有自己的索引值，从上图可以看出CRT控制器使用两个I/O地址，第一个地址3D4用于设置需要访问的CRT寄存器的索引，第二个地址用于从选中的寄存器里读数据或写数据到选中的寄存器。
下面显示的是一部分CRT里的寄存器，完整的列表请查看EGA_VGA_Program_Manual.pdf文档的第50页：
图3
上面的实心圆表示修改该寄存器会有危险，五角星表示该寄存器特别有用。(CRT控制器的许多寄存器不应由软件修改。和控制定时有关的某些寄存器如果被不小心修改的话，实际上会毁坏CRT显示器)
从上图可以看到，修改光标位置，需要用到CRT里索引值为E和索引值为F的两个寄存器。所以如果要设置光标位置的高字节，则需要首先通过out指令向CRT的3D4的I/O地址写入索引值E，表示选中该寄存器，然后再通过out指令向3D5的I/O地址写入字节值即可，如果要读取光标位置的高字节，则在选中寄存器的情况下，用in指令从3D5的I/O地址读取数据即可。
在v0.0.2版本zlox_monitor.c文件里的zlox_move_cursor函数，就是利用上面的原理通过读写I/O地址，来修改光标位置的：
上面在zlox_move_cursor函数里，先根据cursor_x和cursor_y即光标的X和Y坐标，通过计算得到需要设置的cursorLocation光标位置，该位置是和显存里的字符位置相对应的，只不过它是从0开始。
zlox_outb(0x3D4, 14);函数表示向0x3D4的I/O地址写入14(对应十六进制0xE)的索引值，表示选中CRT里光标位置高字节的寄存器，然后通过zlox_outb(0x3D5, cursorLocation >> 8);函数将cursorLocation的高字节写入0x3D5的I/O地址，这样数据就会自动写入前面选中的寄存器。
同理，通过zlox_outb(0x3D4, 15);函数选中索引值为15(对应十六进制0xF)的光标位置低字节的寄存器，然后通过zlox_outb(0x3D5, cursorLocation);函数将cursorLocation的低字节值写入该选中的寄存器。
这样就可以将屏幕上的光标位置设置到我们需要显示的位置了。
上面的zlox_move_cursor函数里用到了zlox_outb函数，该函数定义在zlox_common.c文件里：
zlox_outb函数里通过asm volatile内嵌了一段out汇编指令，%1表示第二个参数value，该参数因为有"a"修饰，所以值会被存储在al寄存器里，port对应的I/O地址端口号则会被设置在dx寄存器里，out指令的格式如下：
上面是Intel的语法，GNU使用的AT&T语法里源操作数和目标操作数的位置，与Intel语法里的位置刚好相反，上面的imm8表示8位的立即数，它只能表示0到255的I/O地址，DX寄存器则可以表示0到65535的I/O地址。从上表可以看出，OUT指令只能使用AX和DX寄存器。IN指令也只能使用AX和DX寄存器，只是IN指令的源操作数和目标操作数的位置与OUT指令刚好相反，表示从某I/O端口进行读操作。
在上面zlox_outb的函数定义里，有几个注释，使用这几个注释里的任意一条代码，得到的结果都是一样的，说明取消dN旁边的N修饰符对结果没有影响，因为N修饰符主要用于限制立即数范围在0到255之间，但是DX寄存器不受这个限制，所以dN去掉右侧的N也是一样的，还可以直接使用outb %%al,%%dx或outb %%al,(%%dx)的指令。
在zlox_monitor.c文件里除了上面介绍的控制光标位置的函数外，其余的函数用于向显存输出字符串信息，在该文件的开头设置了一个全局变量video_memory = (ZLOX_UINT16 *)0xB8000;该变量被赋值为0xB8000即显存的起始位置，这样，后面的代码就可以像操作数组一样操作显存了。
在zlox_kernel.c文件里通过zlox_monitor.c里的函数向屏幕输出显示了一段字符串信息：
下面是bochs里的显示效果：
图4
上面主要是对VGA显示输出字符串的原理做个介绍，至于具体的代码请参考源文件，或参考github.com上有关该版本的diff信息。
OK，就到这里，休息，休息一下 o(∩_∩)o~~
github.com地址：https://github.com/zenglong/zenglOX (只包含git提交上来的源代码)
Dropbox地址：点此进入Dropbox网盘 (该版本位于zenglOX_v0.0.2的文件夹，该文件夹里的zip压缩包为源代码，PDF文档为VGA的编程手册)
sourceforge地址：https://sourceforge.net/projects/zenglox/files (该版本位于zenglOX_v0.0.2的文件夹，该文件夹里的zip压缩包为源代码，PDF文档为VGA的编程手册)
源代码编译调试方法请参考 v0.0.1的文章。
之前的v0.0.1版本什么输出也没有，在bochs下还可以通过gdb远程调试，知道内核在做些什么，但是放在virtualbox里就不知道内核在做什么了，所以如果能让内核在屏幕上输出显示一些字符串的话，对内核的调试开发都会有很大的帮助。
不过，控制显卡的输出显示可以说是内核开发的另一个难点，它需要有专门的驱动程序来做，如果你想自己做这样的驱动程序的话，也会遇到很多的困难，比如，如何调整屏幕的分辨率，如何访问修改屏幕上的某个像素，如何操作显卡里的寄存器等等。
庆幸的是，大部分显卡都是VGA兼容的，VGA是Video Graphics Array(视频图形阵列)的首字母缩写，是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的计算机显示标准。这个标准已对于现今的个人计算机市场已经十分过时。即使如此，VGA仍然是最多制造商所共同支持的一个标准，个人计算机在加载自己的专门的驱动程序之前，都必须支持VGA的标准。例如，微软Windows系列产品的开机画面仍然使用的是VGA显示模式。
zenglOX是由GRUB来启动加载的，GRUB已经自动帮我们设置为VGA的彩色文本模式了，在该文本模式下，VGA的显存已通过硬件映射到我们可以访问到的线性地址空间里了，所以内核启动后，就可以直接像操作普通内存数据一样，操作VGA的显存了，在显存里设置的内容都会及时显示到屏幕上。
在VGA彩色文本模式下，显存的起始地址是0xB8000，该模式下，VGA可以在屏幕上显示输出80 x 25个字符，也就是可以显示25行，每行显示80个字符，其中的每个字符都由显存里的两个字节组成，较低的字节存储字符的ASCII码，较高字节存储字符的前景色和背景色，如下图所示：
图1
例如0xB8000对应的字节里包含的是屏幕左上角第一个字符的ASCII码，0xB8001对应的字节里，低4位里存储的是该字符的前景色，高4位里存储的是背景色，0xB8002里存储第二个字符，0xB8003里存储第二个字符的前景和背景色，以此类推。
由于前景色和背景色的二进制位数是4，所以可以表示16种不同的前景色，和16种不同的背景色，如下所示：
- 0表示black(黑色)
- 1表示blue(蓝色)
- 2表示green(绿色)
- 3表示cyan(青色)
- 4表示red(红色)
- 5表示magenta(品红色)
- 6表示brown(棕色)
- 7表示light grey(浅灰色)
- 8表示dark grey(深灰色)
- 9表示light blue(淡蓝色)
- 10表示light green(葱绿色或品绿色)
- 11表示light cyan(淡青色)
- 12表示light red(浅红色)
- 13表示light magenta(淡洋红色)
- 14表示light brown(浅棕色)
- 15表示white(白色)
在屏幕上面，设置光标的位置也很重要，不过光标的位置设置涉及到VGA的寄存器，所以有必要先对VGA的寄存器做些介绍，在上面Dropbox和sourceforge项目地址里v0.0.2对应的文件夹里，我上传了一个EGA_VGA_Program_Manual.pdf文档，该文档是翻译过的EGA与VGA的编程手册，里面介绍了EGA和VGA的编程原理，VGA是兼容EGA的，所以对于EGA的介绍同样适用于VGA，在该pdf文档的第44页，即第三章 EGA的寄存器篇，就详细介绍了EGA与VGA里可用的寄存器。
对于外围设备，我们一般是通过I/O地址来访问这些设备里的寄存器的，但是，EGA里的寄存器数量很多，有将近六十个寄存器，VGA里的寄存器比EGA的还多，为了避免占用太多的处理器I/O地址，EGA的寄存器被复用为少量的I/O地址。在多数情况下，寄存器的存取需要两步完成。先通过一个I/O端口选择一个寄存器，再通过另一个I/O端口来读或写数据。
下面是EGA与VGA在彩色模式下的I/O地址映射：
图2
EGA与VGA的I/O地址按功能作了逻辑划分。CRT控制器，图形控制器，属性控制器和时序发生器都有各自的地址集。
在zenglOX v0.0.2里控制光标位置，主要用到CRT控制器，CRT控制器里也有很多寄存器，每个寄存器都有自己的索引值，从上图可以看出CRT控制器使用两个I/O地址，第一个地址3D4用于设置需要访问的CRT寄存器的索引，第二个地址用于从选中的寄存器里读数据或写数据到选中的寄存器。
下面显示的是一部分CRT里的寄存器，完整的列表请查看EGA_VGA_Program_Manual.pdf文档的第50页：
图3
上面的实心圆表示修改该寄存器会有危险，五角星表示该寄存器特别有用。(CRT控制器的许多寄存器不应由软件修改。和控制定时有关的某些寄存器如果被不小心修改的话，实际上会毁坏CRT显示器)
从上图可以看到，修改光标位置，需要用到CRT里索引值为E和索引值为F的两个寄存器。所以如果要设置光标位置的高字节，则需要首先通过out指令向CRT的3D4的I/O地址写入索引值E，表示选中该寄存器，然后再通过out指令向3D5的I/O地址写入字节值即可，如果要读取光标位置的高字节，则在选中寄存器的情况下，用in指令从3D5的I/O地址读取数据即可。
在v0.0.2版本zlox_monitor.c文件里的zlox_move_cursor函数，就是利用上面的原理通过读写I/O地址，来修改光标位置的：
|
// Updates the hardware cursor. static ZLOX_VOID zlox_move_cursor() { // The screen is 80 characters wide... ZLOX_UINT16 cursorLocation = cursor_y * 80 + cursor_x; //Tell the VGA board we are setting the high cursor byte. zlox_outb(0x3D4, 14); // Send the high cursor byte. zlox_outb(0x3D5, cursorLocation >> 8); // Tell the VGA board we are setting the low cursor byte. zlox_outb(0x3D4, 15); // Send the low cursor byte. zlox_outb(0x3D5, cursorLocation); } |
上面在zlox_move_cursor函数里，先根据cursor_x和cursor_y即光标的X和Y坐标，通过计算得到需要设置的cursorLocation光标位置，该位置是和显存里的字符位置相对应的，只不过它是从0开始。
zlox_outb(0x3D4, 14);函数表示向0x3D4的I/O地址写入14(对应十六进制0xE)的索引值，表示选中CRT里光标位置高字节的寄存器，然后通过zlox_outb(0x3D5, cursorLocation >> 8);函数将cursorLocation的高字节写入0x3D5的I/O地址，这样数据就会自动写入前面选中的寄存器。
同理，通过zlox_outb(0x3D4, 15);函数选中索引值为15(对应十六进制0xF)的光标位置低字节的寄存器，然后通过zlox_outb(0x3D5, cursorLocation);函数将cursorLocation的低字节值写入该选中的寄存器。
这样就可以将屏幕上的光标位置设置到我们需要显示的位置了。
上面的zlox_move_cursor函数里用到了zlox_outb函数，该函数定义在zlox_common.c文件里：
|
// Write a byte out to the specified port. ZLOX_VOID zlox_outb(ZLOX_UINT16 port,ZLOX_UINT8 value) { asm volatile("outb %1,%0"::"dN" (port),"a" (value)); //asm volatile("outb %1,%0"::"d" (port),"a" (value)); //asm volatile("outb %%al,%%dx"::"d" (port),"a" (value)); //asm volatile("outb %%al,(%%dx)"::"d" (port),"a" (value)); } |
zlox_outb函数里通过asm volatile内嵌了一段out汇编指令，%1表示第二个参数value，该参数因为有"a"修饰，所以值会被存储在al寄存器里，port对应的I/O地址端口号则会被设置在dx寄存器里，out指令的格式如下：
|
上面是Intel的语法，GNU使用的AT&T语法里源操作数和目标操作数的位置，与Intel语法里的位置刚好相反，上面的imm8表示8位的立即数，它只能表示0到255的I/O地址，DX寄存器则可以表示0到65535的I/O地址。从上表可以看出，OUT指令只能使用AX和DX寄存器。IN指令也只能使用AX和DX寄存器，只是IN指令的源操作数和目标操作数的位置与OUT指令刚好相反，表示从某I/O端口进行读操作。
在上面zlox_outb的函数定义里，有几个注释，使用这几个注释里的任意一条代码，得到的结果都是一样的，说明取消dN旁边的N修饰符对结果没有影响，因为N修饰符主要用于限制立即数范围在0到255之间，但是DX寄存器不受这个限制，所以dN去掉右侧的N也是一样的，还可以直接使用outb %%al,%%dx或outb %%al,(%%dx)的指令。
在zlox_monitor.c文件里除了上面介绍的控制光标位置的函数外，其余的函数用于向显存输出字符串信息，在该文件的开头设置了一个全局变量video_memory = (ZLOX_UINT16 *)0xB8000;该变量被赋值为0xB8000即显存的起始位置，这样，后面的代码就可以像操作数组一样操作显存了。
在zlox_kernel.c文件里通过zlox_monitor.c里的函数向屏幕输出显示了一段字符串信息：
|
/*zlox_kernel.c Defines the C-code kernel entry point, calls initialisation routines.*/ #include "zlox_monitor.h" //zenglOX kernel main entry ZLOX_SINT32 zlox_kernel_main(ZLOX_VOID * mboot_ptr) { // Initialise the screen (by clearing it) zlox_monitor_clear(); // Write out a sample string zlox_monitor_write("hello world!\nwelcome to zenglOX!"); return 0; } |
下面是bochs里的显示效果：
图4
上面主要是对VGA显示输出字符串的原理做个介绍，至于具体的代码请参考源文件，或参考github.com上有关该版本的diff信息。
OK，就到这里，休息，休息一下 o(∩_∩)o~~