30天自制操作系统——第8天实验总结

实验日期	实验项目
2020.11.19	第8天 鼠标控制与32位模式切换

一、实验主要内容

1、 内容1 鼠标数据的解读

(1).内容概要

• 实验内容：对接收到的鼠标数据进行处理。
• 实验重点：对处理鼠标数据的关键操作的理解，如范围的判断；对鼠标数据表示含义的理解。

在第7天，可以将鼠标中断产生的数据收集起来，并存储在对应的缓冲区中。本次实验进一步对数据进行解读。鼠标的数据信息一般是3个字节为一组的，在开始接收数据时，当收到0xfa的答复时，buf数组存储数据，buf积累了3个字节的数据后，就将数据显示在屏幕上，然后再重新开始接收数据。

鼠标接收的数据信息含义如下表所示

(2).关键代码分析
Harib05a中的代码
鼠标数据接收代码处理

这部分代码就是每次中断接收3个字节数据的过程，只有前一个字节的数据存储好后，才会开始下一个字节数据的收集。每次中断只能收集到一个数据。

Harib05b中的代码
Harib05b只是对原来的代码进行了整理，将接收3个字节数据的功能封装为一个函数mouse_decode,大大增强了代码的可读性，利用函数的返回值判断是否接收到3个数据，只有当返回值为1时，才执行显示数据的操作。

Harib05c中的代码
Harib05c中增加了对鼠标坐标的处理，并实现将坐标显示到屏幕上。另外单击鼠标左右键时，也会有对应l和r字母变成大写的响应。

这里是对数据合法性的检测。0xc8转化为二进制是1100 1000,dat的高4位和0xc8相与，只有当这4位变化为0000，0001，0010，0011的时候，相与结果才能是0，以此来限制高4位的取值不能超过3；低4位与0xc8相与，只有当第4位为1时，才能保证相与结果为8，其他位和0相与，可以任意取值，以此来限制低4位的取值至少为8，最大取到F。

这部分代码是获取鼠标移动的坐标信息和状态信息。鼠标状态存储在第一个字节的低3位，构造一个低3位为1，其他位为0的数据，即0x07,执行与操作就可以将状态信息分离出来；坐标变化量的信息存储在第二三个字节，当鼠标中心点向左移动时，变化量应该为负值，故使用if判断，将mdec->x用补码形式表示，这样在屏幕上显示的就是负数了，鼠标中心点向上移动时，处理类似。

这部分代码是鼠标状态信息和左右中对应起来，001，010，100分别对应单击鼠标左键，单击鼠标右键，单击滚轮，更换对应的字符即可。

2、 内容2 鼠标的移动

(1).内容概要

• 实验内容：修改图形显示部分，使鼠标移动起来。

(2).关键代码分析

这部分代码是实现鼠标移动的关键代码。实现思路：每次绘制鼠标之前，首先将上一次移动鼠标隐藏（以免造成叠影），接着改变鼠标的坐标，即坐标加上之前收集到的鼠标坐标变化量的值，这里需要对是否越界进行判断处理，最后绘制鼠标即可实现移动功能。这样实现的鼠标存在一定的bug,当移动到下端时，会将原图像擦除，这个问题在创新点中进行了解决。

3、 内容3 通往32位模式之路

(1).内容概要

• 实验内容：asmhead.nas中的代码分析
• 实验重点：理解进行32位模式之前需要做的准备工作，如打开“A20GATE”、切换到“保护模式，装载数据。

(2).关键代码分析
下面对asmhead.nas中的代码一一进行分析

• 中断屏蔽处理

首先关闭主从PIC的中断，接着关闭CPU的中断，在CPU切换模式的时候是不允许有任何中断进来的，以免造成混乱。

• 打开A20GATE开关，使内存1M以上的空间可用

A20GATE是后来CPU地址线发展到32位后，为了兼容旧版的操作系统，在执行激活指令之前，电路被限制只能使用1MB的内存，这根信号线有效时内存就可以使用1MB以上的内存空间了。代码中通过给键盘控制电路发送指令，使键盘控制电路附属端口输出0xdf,完成将A20GATE 信号线变成ON状态的功能。

waitkbout函数的说明：从0x64端口中读数据到AL中，和0x02相与，如果结果不为0就跳转到waitkbout继续等待。

• 切换到保护模式

第一句中的INSTRSET指令是为了能够使用386以后的LGDT,EAX ,CR0等关键词。LGDT是将一个临时GDT读取进来（以后还需要重新设定，这是只是为了切换到32位模式而做的准备）。

接下来将CR0寄存器中的值赋值给EAX，进行相关模式的设定——最高位设0，禁用颁，最低位设1，为了能够切换到保护模式。

最后使用JMP跳转到pipelineflush,修改段寄存器中的值。进入保护模式以后，段寄存器的意思也变了（不再是×16），这里解释为能够使用GDT；除了CS（CS变了会造成混乱）以外所有段寄存器的值都从0x0000变成了0x0008（相当于GDT+1的段）。

• bootpack的拷贝

这部分是使用memcpy函数将bootpack.c函数，引导扇区和10个柱面的内容全部转移到32位模式下专门为其预留的空间中去。

memcpy函数是复制内存的函数，使用格式为memcpy（转送源地址，转送目的地址，转送的数据大小），根据目的地址和转送的数据大小就可以确定出要搬运的具体位置。

转送数据的程序可以分为以下三个部分，第1部分是对bootpack的转送，转送512kb刚好是bootpack.hrb的大小。第2部分是对启动区的转送，从0x7c00转送512byte到0x00100000,。第3部分是对软盘剩下的所有柱面的转送，从0x00008200转送cyls51218*2-512byte到0x00100200,复制字节数中18表示18个柱面，2表示磁头数，减去的部分是一开始启动区的那部分。由于每次转送数据是以双字为单位的，故转送数据大小处需要除以4。和该汇编等价的C语言形式如下所示：

• bootpack的启动

这段代码是继续进行数据的转送，对bootpack.hrb的头部进行解析，将执行需要必要的数据转送过去。EBX代入的是BOTPAK ，取出bootpack.hrb后的第16号地址中的值存入ECX，ADD使ECX加3，SHR使ECX除以4，最后用JZ判断ECX中是否为0。当ECX为0时，没有要转送的数据，就跳转到skip，否则就将bootpack.hrb中从0x10c8开始的0x11a8个字节的数据转送到0x310000中。最后将0x310000代人到ESP里，然后用一个特别的JMP指令，将2*8代入到CS里，同时移动到0x1b号地址。这里的0x1b号地址是指第2个段的0x1b号地址。

• 往GDT0和GDTR0中传送数据

ALIGNB 16表示一直添加DB 0，直到地址能被16整除。
GDT0是一种特定的GDT，0号是空区域，不能进行定义，这里直接填充8个字节的数据0，接下来是将GDT+1和GDT+2两个段的相关设定用DW指令压入文件中。GDTR0是通知GDT0，GDT已经初始化好了。

• 恢复中断

当做完所有在asmhead.nas函数中的工作后，在主函数中重新设定GDT，IDT，并启动中断。
最后笔者对内存分配进行了总结，如下表所示

地址	用途
0x00000000-0x000fffff	在启动时使用(1MB)
0x00100000-0x00267fff	用于保存软盘的内容（1440KB）
0x00268000-0x0026f7ff	空(30KB)
0x0026f800-0x0026ffff	IDT（2KB）
0x00270000-0x0027ffff	GDT (64KB)
0x00280000-0x002fffff	bootpack.hrb(512KB)
0x00300000-0x003fffff	栈及其他（1MB）
0x00400000-	空

二、遇到的问题及解决方法

1、 描述问题1

• 问题描述

将坐标转化为带有符号的判断为何是向左移动是和0x10相与，向上是和0x20相与？

• 解决方法

结合之前测试得到的鼠标第一个字节数据的高4位表示移动的方向，当我们向左移动时，变化量为负，对应的区域时左上和左下，即编码应该为01和11，只有为01/11时才能保证相与结果不为0，说明此时该设置成负数了；同理可以解释向上移动是和0x20相与来进行判断。

2、 描述问题2

• 问题描述

书上关于CR0寄存器的相关介绍很少，只有涉及到最高位和最低位的简单解释，为什么这样设定后就能顺利切换到我们所需要的保护模式呢？

• 解决方法、

查阅资料可以知道，CR0的第0位是PE，即protection enable，第31位是PG，即paging。如果PE=0、PG=0，处理器工作在实地址模式下；如果PG=0、PE=1，处理器工作在没有开启分页机制的保护模式下；如果PG=1、PE=0，此时由于不在保护模式下不能启用分页机制，因此处理器会产生一个一般保护异常，即这种标志组合无效；如果PG=1、PE=1，则处理器工作在开启了分页机制的保护模式下。而我们实验中不需要分页机制，故是切换到无分页机制的保护模式下，则PE设为1，PG设为0。

3、 描述问题3

• 问题描述

waitkbout函数中的读取设备0x64中的数据为啥要和0x02相与，以此来判断是否继续等待？

• 解决方法

查阅资料知道，读取设备0x64的数据就是读取了一个状态寄存器中的内容，从右往左第2位位1时，说明缓存器是满的，要向0x64设备写入，必须等到缓冲器为空时才可以，故需要和0x02相与，判断这一位是否为0。

4、 描述问题4

• 问题描述

在bootpack启动的那部分汇编代码中，为啥要对ECX进行加3操作？

• 解决方法

根据后面JZ指令是对ECX里面的值进行判断，而ECX中保存的是需要转送的数据大小。当ECX为0时，不进行数据转送，ECX小于4时，如果不进行加3操作，ECX/4的值依然为0，此时有数据但没进行转送，故需要加上3来消除这种影响。

三、程序设计创新点

1、 描述创新点1，关键代码及结果截图

• 创新点1

在之前移动鼠标时会出现擦除原背景图像的错误，这里提供一种比较简单的思路。既然会将原背景图像擦除，那在绘制鼠标后，再次绘制一遍背景就可以了。

• 关键代码

在隐藏鼠标之前，重新绘制一遍背景颜色，调用函数init_screen8()。

• 结果截图

下图已经基本解决了擦除原图像的问题，美中不足的是还有两个小三角形的颜色一直是背景色。

2、 描述创新点2，关键代码及结果截图

• 创新点2

修改创新点1存在的问题，将鼠标对应矩形中的图像信息在绘制下一个鼠标之前保存起来，将保存起来的图像信息用来初始化鼠标的数组，即鼠标矩形的背景颜色用保存的图像信息替代。代码框架：按照保存起来的信息绘制图形，相当于之前隐藏鼠标的作用，只不过这里隐藏用的是该位置原图像的信息，计算得到下一位置处的鼠标坐标后将鼠标矩形信息保存起来，更新鼠标数组mursor（背景色用原位置处的图像信息表示，这里就是对创新点1的改进）,最后绘制鼠标。

• 关键代码

记录鼠标的像素信息的代码

这里使用了在中断外定义的一个256大小的char型数组，将从（x0,y0）开始的16*16的矩形图像信息保存起来，存储到一个临时数组temp。

修改鼠标矩形的背景颜色

鼠标矩形背景颜色处直接用temp中的图像数据替换。

进入中断之前，对temp数组进行初始化，这里是防止第一次中断temp中没有数据时，在屏幕上出现一个黑色16*16的矩形。

计算鼠标下一位置坐标之前，先按照temp中的数据绘制一遍（隐藏鼠标）

计算下（mx,my）开始位置的图像信息，并以此更新mcursor数组，最后绘制矩形即可，这些功能的实现均是调用已经封装好的功能函数。

• 结果截图
  

四、实验心得体会

本次实验是自制操作系统的第8天，这一次实验的主要内容是继续对鼠标数据进行处理，使得鼠标最终能够移动起来，另外讲解了之前用到的asmhead.nas文件中关于进入32位模式的相关工作的准备。通过这一次实验，体会到一个操作系统真正核心的东西是需要基于汇编指令编写的，使用汇编才能更好对该系统的相关属性进行设置，例如这次asmhead.nas中的中断屏蔽，切换到保护模式，装载bootpack.hrb,建立临时GDT等工作，而高级语言只是对系统进一步实现，或者是增加软件功能。实验中涉及到内存的内容也是比较多，下一天的内容刚好就是内存管理，相信学习了第9天的内容，再结合操作系统原理理论课程的内存管理的相关内容，会对这门课程制作的操作系统更加了解。