30天自制操作系统——第10天实验总结

实验日期	实验项目
2020.12.3	第10天 叠加处理

一、实验主要内容

1、 内容1 内存管理(续)

(1).内容概要

• 实验内容：整理内存管理的代码；编写使用以4KB为基本单位进行内存分配和释放的函数。
• 实验重点：向上舍入和向下舍入的理解以及代码实现。

在反复进行内存分配和内存释放之后，内存中就会出现很多不连续的小段未使用空间，这样会把man->frees消耗殆尽，这里编写以4KB为基本单元进行内存的分配和释放的函数，减少小块未使用内存浪费的情况。

向下舍入：把最后几位数字强制变为0，在16进制中可以将要舍入的数字和0相与就可以实现舍入。比如0x12345678要以0x1000向下舍入，就可以执行0x12345678 & 0xfffff000操作，将678舍去得到0x12345000。

向上舍入：首先判断最后几位，如果最后几位本来就是零则什么都不操作，如果不是零就先向下舍去，然后在加上舍入单位。比如0x12345678要以0x1000向上舍入，就可以先执行0x12345678 & 0xfffff000操作向下舍入得到0x12345000,接着再加上0x1000得到向上舍入的结果0x12346000。对于向上舍入还有一种技巧，以0x1000向上舍入为例，就是执行（i+0xfff）&0xfffff000,+0xfff就相当于进行一个进位的判断，如果加上这个值有进位，执行向下舍入就行，如果没有进位，可以直接向下舍入。

对其他进制数字的向下舍入操作：对于非二进制和非十六进制的数字，如果要向下舍入的话，无法使用与操作实现，但是可以采用除法实现，以10进制数为例，对i按照100进行向下舍入，i=(i/100)*100或者i=i-(i%100)。

(2).关键代码分析

这部分代码就是以4KB的大小为基本单位对实现内存分配和内存释放操作。实现思路很简单，在调用之前写好的内存分配和内存释放之前，以0x1000向上舍入，将size大小设置为为4KB的倍数。

2、 内容2 叠加处理

(1).内容概要

• 实验内容：引入图层的概念，对第8天鼠标移动会擦除其他图像的问题进行了处理。
• 实验重点：对图层相关功能函数实现的理解，如图层上下移动，左右移动和刷新图层信息等函数。

考虑到以后的设计中可能会有多窗口的处理，在处理鼠标问题时，采用了一种较为一般的方法，添加图层，每个图案在不同的图层上显示，所有图层叠加在一起一同构成最终看到的画面显示。最上面的小图层用来描述鼠标指针，它下面的几张图层是用来存放窗口，而最下面的一张存放桌面壁纸。同时，还要通过移动图层的方法实现鼠标指针的移动以及窗口的移动。

(2).关键代码分析

• 图层结构部分

这部分代码是定义两个结构体，SHEET是图层结构体，SHTCTL是管理多重图层信息的结构体。两个结构体中各个变量的含义如左图所示，每个管理结构的大小如右图所示，约为9KB。

• 图层的相关功能函数

shtctl_init的功能是初始化图层管理的结构体，首先使用memman_alloc_4k函数为图层管理结构体分配内存空间，如果分配成功则继续初始化vram的地址和画面大小，并将图层的使用标志位全部置0，否则直接返回结束。

shtctl_alloc的功能是分配一个未使用的图层。在sheets0[]中寻找未使用的图层，如果找到了，就将其标记为”正在使用”,并将图层高度设置为-1，表示尚未显示。&ctl->sheets0[i]表示取ctl->sheets0[i]的地址。

shtctl_setbuf是设置缓冲区大小和透明色。

下面sheet_updown函数的代码比较长，下面分3个部分进行分析

这部分代码是对要设定图层高度的合法性进行判断，即不能超过当前最高图层高度+1，最低不能小于-1。如果不合法，需要将其修正后才能设定响应的高度。

这部分代码是对sheet排序的第1种情况，要设定的图层新高度比原图层低。实现思路：首先判断设定的高度，如果高度不小于0，则需要将中间的图层往上提，为要设定的高度腾出位置。

举个例子，如下图所示，current是当前图层高度，height是要设定的新高度,此时需要将高度为a,b,c的图层依次往上移，将高度为height的图层放在c后面。

如果高度为-1，则需要将old上面的图层降下来，top减少1。如下图所示，将高度为current的图层隐藏起来后，需要将current之前的图层依次往下降。

最后完成高度设定后使用sheet_reflesh函数重新刷新图层。

这部分代码是对sheet排序的第2种情况，要设定的图层新高度比原图层高。实现思路：首先判断原图层的高度，如果高度不小于0，则需要将从old以上的图层依次往下降，为要设定的高度腾出位置。

举个例子，如下图所示，current是当前图层高度，height是要设定的新高度,此时需要将高度为a,b,c的图层依次往下移，将高度为height的图层放在a前面。

如果原图层的高度为-1，则需要将height上面的图层依次往上移，top增加1。如下图所示，将高度为-1的图层从隐藏变为显示后，需要将待放入位置上面高度为b,a,top的图层依次往上移。

最后完成高度设定后使用sheet_reflesh函数重新绘制刷新图层。

sheet_reflesh的功能是实现图层刷新，即从下往上，将透明以外的所有像素复制到VRAM中。实现思路：使用一个三重for循环嵌套结构，最外层循环遍历按照高度遍历每个图层，内部的两重循环遍历该图层中每一个像素，并计算得到该像素在图形画面的坐标(vx,vy)，将其复制到vram中。

这部分代码是两个函数，其中sheet_slide函数是设置图层的位置，需要注意的是，如果是对正在显示的图层进行设置，需要重新刷新该图层。sheet_free函数是释放某一图层，将其设置为隐藏状态。

• 主函数部分

主函数部分就是调用上述是实现的功能函数，使用图层解决鼠标移动会擦除画面的问题。下面根据主函数中的内容对使用一个图层的主要过程进行总结。以背景图层的使用为例，其他图层的使用方法类似。

3、 内容3 提高叠加的处理速度(1)

(1).内容概要

• 实验内容： 从图形刷新角度，对叠加处理的程序进行优化处理，提高速度。

修改1：在harib07b中的程序中，鼠标指针只有16×16=256个像素，根据其原理，只要它稍微移动一下，程序就会对整个画面进行刷新，也就是重新描绘320×200=64000个像素。而实际上，只重新描绘移动相关的部分，也就是移动前后的部分就可以了，即256×2=512个像素。这只是64 000像素的0.8%而已，根据这个思路，可以编写一个函数sheet_refreshsub函数只刷新部分图层，这样就可以提速很多。

修改2：在图层上显示文字，每次都需要调用sheet_refresh函数刷新图层。事实上，每次显示文字后，只有修改了文字所占区域的图层信息，并不需要重新全部刷新。根据这个思路，在sheet_refresh函数中调用sheet_refreshsub函数指定范围刷新。

(2).关键代码分析

在harib07b程序的基础上,增加了函数sheet_refreshsub，这个函数可以制定刷新的范围，将刷新的范围限定在vx0~vy1之间。需要注意的是sheet_refreshsub函数中传递的刷新范围的参数是整个画面中的坐标，而sheet_refresh函数中传递的刷新范围的参数是相对于缓冲区的坐标。

4、 内容4 提高叠加的处理速度(2)

(1).内容概要

• 实验内容：从代码层面，对叠加处理的程序进行优化处理，提高速度。

在harib07c代码中sheet_refreshsub函数即使只刷新图层的一部分，但也要对所有图层的全部像素执行if语句，判断“是写入呢，还是不写呢”。而对于刷新范围以外的部分，就算执行if判断语句，最后也不会进行刷新，所以这纯粹就是一种浪费。从代码角度考虑，应该把for语句的范围限定在刷新范围之内。

(2).关键代码分析

这部分代码是在原来sheet_refreshsub函数的基础上进行修改的，限定刷新范围，这样就可以减少了繁杂的判断。代码实现思路如下图所示，假设刷新范围是左上矩形，现在开始对第i层图层刷新，从左图中可以看到图层i对刷新范围造成影响的只有黄色区域，故只需要对黄色区域进行刷新(两者的相交区域)即可。当刷新区域包含整个图层时，如右图所示，bx0和by0计算得到的值小于0，bx1和by1计算得到的值会大于图层的bxsize和bysize，此时需要重新确定范围,对应上图中代码对情况1和2的处理（bx0,by0,bx1,by1是相对于图层上的坐标）。右图只是情况1和2的其中一种例子，但总体上情况1和2的处理就是使得bx0,by0,bx1,by1所表示范围在图层上。

二、遇到的问题及解决方法

1、 描述问题1

• 问题描述

图层解决鼠标擦除背景颜色的方案是如何实现的，具体的原理是什么？

• 解决方法

从之前的实验中可以知道，图像显示的区域只有一块，而在本次实验中引入了图层的概念，将需要显示的每个画面使用图层保存起来（每个像素点保存在数组中），当需要显示该图层的时候，就将该图层信息显示出来，即通过不断地刷新分时显示。

三、程序设计创新点

增加一个窗口图层，要求窗口必须自己动手绘制，不能直接用后一天的现成窗口，至少实现点击窗口右上角的关闭按钮（一个×）能关闭窗口

基本功能实现
init_windows函数（初始化窗口缓冲区）
下面的代码比较长，分为3个部分进行分析

这部分代码是关闭按钮的存储十足，使用和O摆出X的形状，不同的区域上不同的颜色，实现绘制一个关闭按钮的功能。

这部分代码是绘制一个大小为15080的窗口，窗口仿照之前的背景的实现，右下侧增加灰色和黑色线条，左上方增加灰色和白色线条，来增加窗口的立体感。

这部分代码是将图层按钮像素存放入一个缓冲区数组中。第1句是将字符”hmr”放到20，4的位置处，作为图层窗口的标识。接下来使用二重for循环将按钮从（3,x-19）的位置（这个位置是相对于图层的坐标）开始将按钮的信息存放缓冲区中。

关闭功能

这部分代码的功能是使用鼠标左键单击关闭按钮能够实现关闭。 (mx,my)是鼠标相对于画面所在位置，关闭按钮在相对于窗口上从(length-19,3)开始的一个17*17的矩形框中，length是窗口图层的长度，在判断位置的时候需要将关闭按钮的坐标转化为相对于画面的坐标，即加上窗口左上角在画面位置的坐标(sht_min->vx0,sht_min->vy0)，判断鼠标是否在这个范围内。如果在说明点了关闭按钮，将窗口设置为隐藏，重新刷新图层。

1、 描述创新点，关键代码及结果截图

• 创新点1

在基础功能实现的基础上，增加了窗口移动的功能。

• 关键代码

这部分代码就是移动功能的实现。在按动鼠标左键之后，判断（mx,my）是否在窗口区域内。如果在除了关闭按钮的窗口区域内时，需要改变窗口位置。当一直按住鼠标左键时，窗口就会随着鼠标移动，坐标的移动和鼠标保持一致，故只需要将窗口左上角的初始坐标加上鼠标坐标的变化量(mdec.x,mdec.y)即可，得到新的坐标（a,b）就是移动后窗口的位置。对a,b的合法性进行检测后，使用sheet_slide函数将窗口移动到(a,b)这个位置。

2、 描述创新点，关键代码及结果截图

• 创新点2

在基础功能实现的基础上，增加桌面图标功能，即关闭窗口后，可以通过这个图标再次打开窗口。

• 关键代码

桌面图标的图层实现和窗口图层的实现基本一致，这里不做说明。

这部分代码的功能是使用鼠标左键单击图标后打开窗口。首先判断(mx,my)是否在图标所在位置，由于图标在桌面上是固定的，这里直接使用相对于画面的坐标。如果鼠标在图标所在位置，首先使用sheet_slide函数将小窗口移动到(100，55)的位置，接着将窗口高度设置为1，改为显示。这里仿照windows系统，打开窗口后，图标的背景颜色会改变。调用init_tubiao初始化图标图层，参数1表示深色(参数0表示白色)。最后刷新图标区域。

主函数代码实现

这是对相关变量的定义

这是对图层的属性设置

这是按下鼠标左键的处理。

效果展示

左图是运行程序后的初始显示画面，当使用鼠标左键单击图标后，结果如右图所示，窗口显示出来，图标变灰，表示正在打开窗口。

左图是关闭窗口后的画面，右图是打开窗口，将窗口进行移动。

四、实验心得体会

本次实验是自制操作系统的第10天，本次实验主要分为两个部分，第一部分是对内存管理进行一些后续的处理，整理源代码，实现以4KB为基本内存单元对内存进行分配和释放；第二部分引入图层的概念，对之前遗留下来的鼠标问题进行了优化，并对程序做了优化处理。内容不多，但是值得去深究，在这次实验的创新点中，利用图层的结构，我实现了一个简单的窗口，可以使用X关闭窗口，使用桌面图标打开窗口，以及移动窗口。除了这些，相信图层这部分的内容可以做的东西还很多，比如窗口最大化，最小化，仿照windows系统的一些功能，我们可以迁移更多的内容到我们自己的操作系统中。

在这次实验过程中，也体会到一点。做开发设计不是一开始就写成最终版本的，最终版本是通过不断地调试，优化得到的，例如本次实验中一开始编写了sheet_refresh函数，但是由于性能不好，进行了优化编写sheet_refreshsub函数,在后续使用过程中在sheet_refresh中又调用sheet_refreshsub函数。