[自制操做系统] 图形界面&VBE工具&MMIO显存&图形库/字库

时间 2019-11-11

标签自制系统图形界面 vbe 工具 mmio 图形字库繁體版

原文原文链接

本文记录了在JOS（或在任意OS）上实现图形界面的方法与一些图形库的实现。
本文中支持的新特性：java

支持基本图形显示
支持中英文显示（中英文点阵字库）

相关：VBE VESA MMIO 点阵字库
Github : https://github.com/He11oLiu/MOSgit

About VESA

Video Electronics Standards Association（视频电子标准协会，简称“VESA”）是制定计算机和小型工做站视频设备标准的国际组织，1989年由NEC及其余8家显卡制造商赞助成立。创立VESA的原始目的是要制定分辨率为800x600的SVGA视频显示标准。其后，VESA公告一系列的我的电脑视频周边功能的相关标准。github

VBE 功能调用

参考博客CSDN博客编程

VBE功能调用ruby

AH必须等于4FH，代表是VBE标准
AL等于VBE功能号，0<= AL <= 0BH
BL等于子功能号，也能够没有子功能
调用INT 10H
返回值在AX中
- AL=4FH：支持该功能
- AL!=4FH：不支持该功能
- AH=00H：调用成功
- AH=01H：调用失败
- AH=02H：当前硬件配置不支持该功能
- AH=03H：当前的显示模式不支持该功能

具体功能

此部分参考VESA编程——GUI离咱们并不遥远，原做者博客已关闭。markdown

功能0x00：返回控制器信息

输入： AX = 4F00h 返回VBE控制器信息 ES:DI = 指向存放VbeInfoBlock结构体的缓冲区指针 输出： AX = VBE返回状态

这个函数返回一个VbeInfoBlock结构体，该结构体定义以下：数据结构

// Vbe Info Block
typedef struct {
    unsigned char       vbe_signature;
    unsigned short      vbe_version;
    unsigned long       oem_string_ptr;
    unsigned char       capabilities;
    unsigned long       video_mode_ptr;
    unsigned short      total_memory;
    unsigned short      oem_software_rev;
    unsigned long       oem_vendor_name_ptr;
    unsigned long       oem_product_name_ptr;
    unsigned long       oem_product_rev_ptr;
    unsigned char       reserved[222];
    unsigned char       oem_data[256];  
} VbeInfoBlock;

vbe_signature是VBE标识，应该填充的是”VESA”
vbe_version是VBE版本，若是是0300h则表示3.0版本
oem_string_ptr是指向oem字符串的指针，该指针是一个16位的selector:offset形式的指针，在实模式下能够直接使用。
video_mode_ptr是指向视频模式列表的指针，与oem_string_ptr类型同样
total_memory是64kb内存块的个数
oem_vendor_name_ptr是指向厂商名字符串的指针
oem_product_name_ptr是指向产品名字符串的指针

功能01 返回VBE模式信息

输入： AX = 0x4F01 返回VBE模式信息 CX = 模式号 ES:DI = 指向VBE特定模式信息块的指针 输出： AX = VBE返回值

这个函数返回一个ModeInfoBlock结构体，其中重要的部分以下：tcp

mode_attributes字段，这个字段描述了图形模式的一些重要属性。其中最重要的是第4位和第7位。第4位为1表示图形模式(Graphics mode)，为0表示文本模式(Text mode)。第7位为1表示线性帧缓冲模式(Linear frame buffer mode)，为0表示非线性帧缓冲模式。咱们主要要检查这两个位。
xresolution，表示该视频模式的X分辨率。
yresolution，表示该视频模式的Y分辨率。
bits_per_pixel，表示该视频模式每一个像素所占的位数。
phys_base_ptr，这是一个很是重要的字段，它给出了平坦内存帧缓冲区的物理地址，你能够理解为显存的首地址。若是每一个像素占32位的话，屏幕左上角第一个点所占的缓冲区就是phys_base_ptr所指的第一个4个字节。按照先行后列的顺序，每一个像素点所占缓冲区依次紧密排列。咱们要想在屏幕上画出像素点，就得操做以phys_base_ptr为起始的物理内存空间。

功能02 设置VBE模式信息

输入：
    AX      = 4F02h     设置VBE模式
    BX      =           须要设置的模式
            D0 - D8     = 模式号
            D9 - D10    = 保留（必须为0）
            D11         = 0 使用当前缺省刷新率
                        = 1 使用用户指定的CRTC值为刷新率             D12 - D13   = 为VBE/AF保留（必须为0）
            D14         = 0 使用窗口帧缓冲区模式
                        = 1 使用线性/平坦帧缓冲区模式             D15         = 0 清除显示内存
                        = 1 不清除显示内存     ES:DI   =           指向CRTCInfoBlock结构体的指针

输出：
    AX      =           VBE返回状态

`JOS`实现

Qemu须要添加-vga stdide

QEMUOPTS = -drive file=$(OBJDIR)/kern/kernel.img,index=0,media=disk,format=raw -serial mon:stdio -gdb tcp::$(GDBPORT) -vga std

在boot中实模式中获取VBE，设置VBE函数

sti
call    getvideomode  
call    setvideomode  
cli

先获取VBE模式，填充di，而后切换模式，设置VBE模式。

根据上面查的VESA资料，调用函数，实现这两个功能。

getvideomode:  
      mov $0x4f01, %ax  # get mode 
      mov $0x105,  %cx   # mode 0x105
      mov $0x8000, %di  # mode info block address
      int $0x10         # VBE int 
      ret

setvideomode:  
      movw $0x4f02, %ax   # set mode 
      movw $0x105,  %bx 
      movw $0x8000, %di  
      int $0x10           # VBE int
      movl 40(%di), %eax  # get memory address 
      movl %eax, info_vram
      movw 18(%di), %ax   # get x resolution 
      movw %ax, info_scrnx
      movw 20(%di), %ax   # get y resolution 
      movw %ax, info_scrny
      ret

这里设计了一个结构体来存放从boot传来的东西。

struct boot_info
{
short scrnx, scrny;
char *vram;
};

init的时候，设计一个获取boot_info的模块
```
static void get_boot_info(void)
{
struct boot_info *info = (struct boot_info *)(KADDR(0x0ff0));
// Init Graph info
graph.scrnx = info->scrnx;
graph.scrny = info->scrny;
graph.vram = info->vram;
}
```
这个地方我选择初始化memory layout以后，开启真正的页表的时候才获取信息。因此这里要用KADDR进行物理地址到KVA的转化。

设计一个全局用于保存图像相关信息的结构体

struct graph_info
{
  short scrnx,scrny;
  char *vram;
};

extern struct graph_info graph;

利用MMIO映射一片显存

void graph_init()
{
  int i;
  // Init Graph MMIO
  graph.vram =
      (char *)mmio_map_region((physaddr_t)graph.vram,
                              graph.scrnx * graph.scrny);
  cprintf("====Graph mode on====\n");
  cprintf(" scrnx = %d\n",graph.scrnx);
  cprintf(" scrny = %d\n",graph.scrny);
  cprintf("MMIO VRAM = %#x\n",graph.vram);
  cprintf("=====================\n");
  // Draw Screen
  for (i = 0; i < graph.scrnx * graph.scrny; i++)
      *(graph.vram + i) = 0x34;
}

补充图像库

上面基本已经实现了图像显示基本平台。如今补充一些经常使用的图像库。

#define PIXEL(x, y) *(graph.vram + x + (y * graph.scrnx))
int draw_screen(uint8_t color)
{
    int i;
    for (i = 0; i < graph.scrnx * graph.scrny; i++)
        *(graph.vram + i) = color;
    return 0;
}

int draw_pixel(short x, short y, uint8_t color)
{
    if ((x >= graph.scrnx) || (y >= graph.scrny))
        return -1;
    *(graph.vram + x + (y * graph.scrnx)) = color;
    return 0;
}

int draw_rect(short x, short y, short l, short w, uint8_t color)
{
    int i, j;
    w = (y + w) > graph.scrny ? graph.scrny : (y + w);
    l = (x + l) > graph.scrnx ? graph.scrnx : (x + l);
    for (j = y; j < w; j++)
        for (i = x; i < l; i++)
            *(graph.vram + i + j * graph.scrnx) = color;
    return 0;
}

字库实现

这部分也是老生常谈了，板子上各类系统都实现过点阵字库。

int draw_ascii(short x, short y, char *str, uint8_t color)
{
    char *font;
    int i, j, k = 0;
    for (k = 0; str[k] != 0; k++)
    {
        font = (char *)(ascii_8_16 + (str[k] - 0x20) * 16);
        for (i = 0; i < 16; i++)
            for (j = 0; j < 8; j++)
                if ((font[i] << j) & 0x80)
                    PIXEL((x + j), (y + i)) = color;
        x += 8;
    }
    return k;
}

int draw_cn(short x, short y, char *str, uint8_t color)
{
    uint16_t font;
    int i, j, k;
    int offset;
    for (k = 0; str[k] != 0; k += 2)
    {
        offset = ((char)(str[k] - 0xa0 - 1) * 94 +
                  ((char)(str[k + 1] - 0xa0) - 1)) *
                 32;
        for (i = 0; i < 16; i++)
        {
            font = cn_lib[offset + i * 2] << 8 |
                   cn_lib[offset + i * 2 + 1];
            for (j = 0; j < 16; j++)
                if ((font << j) & 0x8000)
                    PIXEL((x + j), (y + i)) = color;
        }
        x += 16;
    }
    return 0;
}

直接把以前单片机的点阵字库拿过来，不过单片机当时开发环境是win，找的字库寻址模式是GB2312的。这里把这个文件的编码改成GB2312来正确编码中文便可。实现效果见文章头。

frambuffer

实际上，直接对显存写是很不负责任的行为。很早以前在写java的界面的时候，就接触了双缓冲技术，其实与显示有关的思想都是差很少的，咱们应该提供一个framebuffer。当完成一个frame后，再将这个frame update到显存中。

uint8_t *framebuffer;
void init_framebuffer(){
    if((framebuffer = (uint8_t *) kmalloc((size_t)(graph.scrnx*graph.scrny)))== NULL)
        panic("Not enough memory for framebuffer!");
}

void update_screen(){
    memcpy(graph.vram,framebuffer,graph.scrnx*graph.scrny);
}

通过实现kmalloc与kfree，已经能够分配这个缓冲区，并直接向缓冲区写入，最后再进行update

#define PIXEL(x, y) *(framebuffer + x + (y * graph.scrnx))
int draw_xx()
{
    xxx;
    update_screen();
}

总结

至此，基本的GUI底层接口已基本实现，后面的就是各类数据结构的设计，窗口树设计之类。这里暂不打算继续深究，转而研究其他内核的东西。