Day4—自制操作系统
用C语言实现内存写入
- 在
naskfunc.nas中创建一个往指定内存写入内存地址的语句; naskfunc ; TAB=4 [FORMAT "WCOFF"] ; 制作目标文件的模式 [INSTRSET "i486p"] ; 用来告诉nask，这个程序是给486用的；如果不指定，就会认为是只有16位寄存器的CPU [BITS 32] ; 制作32位模式用的机械语言 ; 制作目标文件的信息 [FILE "naskfunc.nas"] ; 源文件名信息 GLOBAL _io_hlt,_write_mem8 ; 程序中包含是的函数名 ; 以下是实际的函数 [SECTION .text] ; 目标文件中写了这些之后再写程序 _io_hlt: ; void io_hlt(void); HLT RET ; 将数据放到某个地址空间 ; 如果在C语言中用到了write_mem8函数，就会跳转到_write_mem8 _write_mem8: ; void write_mem8(int addr, int data); MOV ECX,[ESP+4] ; [ESP+4]中存放的是地址，将其读入ECX MOV AL,[ESP+8] ; [ESP+8]中存放的是数据，将其读入AL MOV [ECX],AL RET - 在指定内存地址的地方，不可以使用[CX]或[SP]，但使用32位寄存器，[ECX]、[ESP]等都OK。
- 如果与C语言联合使用，可以自由使用的只有EAX、ECX、EDX这3个。其它寄存器只能使用其值，而不能改变其值。
- 这里虽然指定的是486，但并不是386中就不能用。到286为止CPU是16位，而386以后CPU是32位。
- C语言—bootpack.c程序
void io_hlt(void); void write_mem8(int addr, int data); void HariMain(void) { int i; /* 变量声明; i是一个32位整数 */ int j = 1; // 不同颜色所代表的整数 for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++) { write_mem8(i, j++); /* MOV BYTE [i],15 */ } for (;;) { io_hlt(); } } - 结果：
条纹图案
- 修改bootpack.c
void io_hlt(void); void write_mem8(int addr, int data); /* 显示出有条纹的图案 */ void HariMain(void) { int i; /* 变量声明; i是一个32位整数 */ for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++) { /* 低四位原封保留，而高四位全部都变成0，所以每个16个像素，色号就会反复一次 */ write_mem8(i, i & 0x0f); } for (;;) { io_hlt(); } } - 结果：
挑战指针
- 替代write_mem3的指针语句
- 指定变量的类型
char占用的是1个字节 8位 short占用2个字节 16位 int占用4字节 32位 - 所以使用指针之前要定义变量的类型
- 而不管是
“char *p”，还是“short *p”，还是“int *p”，变量p都是4字节，因为p是用于记录地址的变量。 - 修改
bootpack.cvoid io_hlt(void); void HariMain(void) { int i; /* 变量声明; i是一个32位整数 */ char *p; /* *，变量p是用于内存地址到额专用变量 */ for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++) { p = i; /* 带入地址 */ *p = i & 0x0f; /* 这可以代替write_mem8(i, i & 0x0f); */ } for (;;) { io_hlt(); } } - 类型转换
在执行make run之后，会有警告。所以要进行类型转换
也可以改成
- 指针和汇编
- 什么只声明了
“char *p; ”却不仅能使用p，还可以使用*p
指针的应用
- 可以将下面代码进行改写
void io_hlt(void); void HariMain(void) { int i; /* 变量声明; i是一个32位整数 */ char *p; /* *，变量p是用于内存地址到额专用变量 */ for (i = 0xa0000; i <= 0xaffff; i++) { p = i; /* 带入地址 */ *p = i & 0x0f; /* 这可以代替write_mem8(i, i & 0x0f); */ } for (;;) { io_hlt(); } } *(p + i )是6个字符，而p[i]只有4个字符
- 将p[i]写成i[p]也是可以的
色号设定
- 使用的是
320 * 200的8位色彩模式，色号使用8位（二进制）数，也就是只能使用0 ~ 255的数 - 8位色彩模式，0 ~ 255的数字和颜色一一对应（比如25号颜色对应#ffffff）
修改bootpack.c文件
修改HariMain
- 代码
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:浅亮蓝 */ 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; /* C语言中的static char语句只能用于数据，相当于汇编中的DB质量*/ } char a[3]的含义相当于
a:
RESB 3
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“RESB”, “RESW”, “RESD”, “RESQ” , “REST”
它们声明 未初始化的存储空间char a[3] = {1, 2, 3};的含义相当于：
char a[3];
a[0] = 1;
a[1] = 2;
a[2] = 3;
但是这种写法会多耗费很多字节static可以控制变量的作用域在局部作用域内signed和unsigned和未指定型
char、int、short都分signed和unsignedsigned型用于处理-128～127的整数
unsigned型能够处理0～255的整数
未指定型是指没有特别指定时，可由编译器决定是unsigned还是signed0xff就是255，表示最大亮度
修改set_palette
- 代码：
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(); /* 将中断许可标志置为0，禁止中断 */ io_out8(0x03c8, start); /* 往指定装置里传送数据的函数 */ 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的管脚与很多设备相连（内存、键盘、网卡、声卡、软盘）。向设备发送电信号的是OUT指令；从设备取得电信号是IN指令。为了区别不同的设备，需要使用设备号码【port】。在C语言中没有IN或OUT指令相当的语句。
调色板功能的简单实现
- 硬件在显示像素颜色时，从像素对应的显存读取这个八位数，然后把这个数当做下标，在RGB颜色组中找到对应的RGB颜色值，再把这个颜色值显示到对应的像素上
- 显存调色板模式的设置方式：
- 关闭中断，防止CPU被干扰
- 将调色板的号码写入端口0x03c8, 由于我们现在只有一个调色板，因此调色板的编号默认为0，如果要设置多个调色板，那么其他调色板的编号可以一次为1，2…等
- 将RGB的颜色数值依次写入端口0x3c9, 假设我们要写入的RGB颜色值是
0x848484 暗灰
那么在C语言中，要分3次调用io_out8, 例如：
io_out(0x3c9, 0x84);
io_out(0x3c9, 0x84);
io_out(0x3c9, 0x84);
- 完整代码：
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); /* 就算写在同一个源文件里，如果想在定义前使用，还是必须实现声明一下 */ void init_palette(void); void set_palette(int start, int end, unsigned char *rgb); void HariMain(void) { int i; /* 声明变量。变量i是32位整数型 */ char *p; /* 变量p是BYTE [...]用的地址 */ init_palette(); /* 设定调色板 */ p = (char *) 0xa0000; /* 指定地址 */ for (i = 0; i <= 0xffff; i++) { p[i] = i & 0x0f; } 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:浅亮蓝 */ 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; /* C语言中的static char语句只能用于数据，相当于汇编中的DB质量*/ } 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(); /* 将中断许可标志置为0，禁止中断 */ io_out8(0x03c8, start); /* 往指定装置里传送数据的函数 */ 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; }
修改naskfunc.nas文件
端口读写数据原理
- 读取指定端口8位数据
- 根据C语言的规约，执行RET语句时，EAX中的值就被看作是函数的返回值
;读取指定端口8位数据 int io_in8(int port); io_in8: mov edx, [esp+4] ; 将端口号放入edx中 mov eax, 0 ; 先将eax中原来的内容清空 in al, dx ; 将此端口号中的内容读取到al中 ret - 向指定端口号写入8位数据
;向指定端口写入8位数据 void io_out8(int port, int value); io_out8: mov edx, [esp+4] ; 将端口号放入edx中 mov al, [esp+8] ; 将数据放入esp中 out dx, al ; 将数据输出到某端口号中 ret
eflags寄存器
- 各个标志所在EFLAGS中的位置
- CF（进位标志）：产生进位或借位时CF = 1，否则CF = 0
- PF（奇偶标志）：1的个数为偶数，PF = 1，否则 PF = 0
- ZF（零标志）：相关指令执行后结果为0，那么ZF = 1，否则ZF = 0
- SF（符号标志）：结果为负SF = 1，非负 SF = 0
- OF（溢出标志）：有符号运算的结果是否发生了溢出，溢出OF = 1，否则OF = 0
- AF（辅助进位标志）：当进行加减运算时，若运算结果的低字节的低四位向高四位有进位或借位，则AF为1，否则为0
- DF（方向标志）：当DF为1时，每次操作后使变址寄存器SI和DI减小。这样就使串处理从高地址向低地址方向进行，当DF = 0，反之
- IF（中断标志）：当IF为1，允许CPU响应可屏蔽中断请求，否则，反之。
- TF（跟踪标志）：当TF为1时，每条指令执行完后产生中断，CPU处于单步运行方式。当TF位为0时，CPU正常工作，程序连续执行
- PUSHFD：将标志位的值按双字节长压入栈。
- POPFD：按双字节长将标志位从栈弹出
eflags寄存器的读写
- 汇编语言能直接访问
EFLAGS寄存器，因为汇编中没有"mov eax, EFLAGS"这种指令，pushfd指令是专门把EFLAGS寄存器的内容压入堆栈的，使用指令pushfd把EFLAGS的数据压入堆栈，然后再从堆栈中，把压入的数据弹出到eax寄存器里面。 - 根据C语言的规约，执行RET语句时，EAX中的值就被看作是函数的返回值
; naskfunc ; TAB=4 [FORMAT "WCOFF"] ; 制作目标文件的模式 [INSTRSET "i486p"] ; 使用到486为止的指令 [BITS 32] ; 制作32位模式用的机器语言 [FILE "naskfunc.nas"] ; 源程序文件名 GLOBAL _io_hlt, _io_cli, _io_sti, _io_stihlt GLOBAL _io_in8, _io_in16, _io_in32 GLOBAL _io_out8, _io_out16, _io_out32 GLOBAL _io_load_eflags, _io_store_eflags [SECTION .text] _io_hlt: ; void io_hlt(void); HLT ; 使程序停止运行，处理器进入暂停状态，不执行任何操作，不影响标志。 RET _io_cli: ; void io_cli(void); CLI ; 该指令的作用是禁止中断发生，在CLI起效之后，所有外部中断都被屏蔽，这样可以保证当前运行的代码不被打断，起到保护代码运行的作用 RET _io_sti: ; void io_sti(void); STI ; 允许中断发生，在STI起效之后，所有外部中断都被恢复，这样可以打破被保护代码的运行，允许硬件中断转而处理中断的作用 RET _io_stihlt: ; void io_stihlt(void); STI HLT RET _io_in8: ; int io_in8(int port); MOV EDX,[ESP+4] ; port MOV EAX,0 IN AL,DX RET _io_in16: ; int io_in16(int port); MOV EDX,[ESP+4] ; port MOV EAX,0 IN AX,DX RET _io_in32: ; int io_in32(int port); MOV EDX,[ESP+4] ; port IN EAX,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_out16: ; void io_out16(int port, int data); MOV EDX,[ESP+4] ; port MOV EAX,[ESP+8] ; data OUT DX,AX RET _io_out32: ; void io_out32(int port, int data); MOV EDX,[ESP+4] ; port MOV EAX,[ESP+8] ; data OUT DX,EAX RET _io_load_eflags: ; int io_load_eflags(void); PUSHFD ; PUSH EFLAGS 偲偄偆堄枴 POP EAX RET _io_store_eflags: ; void io_store_eflags(int eflags); MOV EAX,[ESP+4] PUSH EAX POPFD ; POP EFLAGS 偲偄偆堄枴 RET
绘制矩形
- 在当前画面模式中，画面上有320 * 200个像素
- 假设左上点的坐标是（0,0），右下点的坐标是（319,199），那么像素坐标（x, y）对应的VRAM地址应按下式计算
- 修改
bootpack.c代码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); 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 15 void HariMain(void) { char *p; /* p变量的地址 */ p = (char *) 0xa0000; /* 将地址赋值进去 */ boxfill8(p, 320, COL8_FF0000, 20, 20, 120, 120); boxfill8(p, 320, COL8_00FF00, 70, 50, 170, 150); boxfill8(p, 320, COL8_0000FF, 120, 80, 220, 180); for (;;) { io_hlt(); } } // VRAM 的地址；屏幕的长度；颜色； 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; }
今天的成果
- 代码
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); 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 15 void HariMain(void) { char *vram; int xsize, ysize; vram = (char *) 0xa0000; // 屏幕的宽和高 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); 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; }
问题
- 在set_palette函数中，为什么要将每个颜色的值除以4？
最开始看到这个除以4，我首先想到的是在opencv在处理像素时，会通过一个简单的除法来进行颜色空间缩减以提高性能，但是重新读了代码后，知道不是一回事，将除数的值增大，色彩的亮度会变暗，如果不设除数，后8种色彩很难与黑色分辨，接着我去查阅了一些资料：
电脑屏幕上的所有颜色，都由这红色绿色蓝色三种色光按照不同的比例混合而成的。一组红色绿色蓝色就是一个最小的显示单位。屏幕上的任何一个颜色都可以由一组RGB值来记录和表达。每三个确定一个颜色，分别代表红绿蓝的分配比例，分配的越多，代表的颜色就越深。这样就似乎明白作者为什么说只要16种颜色了。确实，16*16=256，
我们只要修改这个/号除的数，就可以得到不同的颜色。就不进行除法操作那个来说，就是调色板的原色，而进行了除法操作的都是相应色调降低了的。色调是各种图像色彩模式下原色的明暗程度，级别范围从0到255，共256级色调。例如对灰度图像，当色调级别为255时，就是白色，当级别为0时，就是黑色，中间是各种程度不同的灰色。在RGB模式中，色调代表红、绿、蓝三种原色的明暗程度，对绿色就有淡绿、浅绿、深绿等不同的色调。色调
是指色彩外观的基本倾向。在明度、纯度、色相这三个要素中，某种因素起主导作有用，可以称之为某种色调。实验的结果似乎是证明的原色的明暗程度的改变。 - 为什么在设定调色板的时候要禁止中断？
我没有查到具体的解释，只查到了在什么情况下需要关闭中断：
1、操作的对象是共享资源（全局变量），其他任务可能在整个操作流程中打断你的操作，并且会更改你的全局变量，最终会引起非常严重的后果的情况下需要关中断。
2、当任务在执行对时序要求非常高的操作，因为被其它任务中断浪费了很多时间，当回来的时候错过了dead
time，最终导致操作失败。
我只能推测在向端口写入信息的时候，要通过禁止中断，防止因中断而导致向端口写入了其他信息。