文章目录

IO接口
- IO端口
显卡
- 显卡交互
控制显示器
实现库函数put_char
- 退格符处理
- 换行符&回车符
- 打印可见字符
- 滚屏操作
参考文献

写在前面：自制操作系统Gos 第二章第三篇：主要内容是如何操纵外设，如何操纵显示器

IO接口

其实博主之前对和硬件打交道是非常恐惧的。一个是不了解，一个是外部设备种类繁多、原理各异，实在是没有太多的精力精通每一项了。其实，说白了就是没有一个统一的接口供我这种懒狗调用，兼容性太差。

但是，按照计算机哲学来看：任何不兼容的问题，其实都可以通过加一层来解决这个问题，这一层就是 —— IO接口。比如说，声卡就是驱动影响设备的；显卡就是驱动显示器的。所以，今天我们打交道的主要对象就是显卡了，通过显卡间接操作显示器。

注：
什么是IO接口呢？
IO接口时连接CPU和外部设备的逻辑控制部件，其分为硬件和软件两个部分。硬件部分所做的都是一些实质具体的工作，其功能时协调CPU和外设之间的种种不匹配，如双方由于不匹配，那IO接口就实现数据缓存以减少等待时间；数据格式不匹配，那IO接口就可以负责数据转换的功能。
当然，IO接口的作用还有很多，总结如下：

设置数据缓冲，解决CPU和外设速度不匹配的问题

设置信号电平转换电路。CPU时TTL电平，而外设大多时机电设备，需要进行转换

设置数据格式转换

设置时序控制电路来同步CPU和外部设备

提供地址译码

同一时刻，CPU只能和一个IO接口通信，当很多的IO接口同时想和CPU对话的时候。其实就导致了冲突的问题，那么如何解决呢？这个时候，我们再加一层去仲裁这个问题。而这一层就是大名鼎鼎的南桥。

CPU通过内部总线连接到南桥芯片的内部。同时，在南桥内部集成了一些IO接口。除了集成之外，还有一些供其他非必要设备支持的PCI接口。

IO端口

IO接口在诞生之初，其就被设置为通过寄存器来和CPU交互。其内部也有专门的寄存器用于数据交互，称之为端口。IO接口是CPU和硬件的桥梁。一端是CPU，另一端是硬件。端口是IO接口开放给CPU的接口，一般的IO接口都有一组端口，而每个端口都有自己的用途。

刚刚也说了，端口的本质就是寄存器，其也有自己的数据宽度。所以我们需要合适的指令去访问，那么怎么访问呢？

#Intel版本的汇编语言格式
操作码 目的 源# 从端口读取数据 --> in
in al,dx    #dx☞端口号# 写数据到端口 --> out
out dx,al   #dx☞端口号

显卡

某些IO接口也叫适配器，适配器是驱动某一外部设备的功能模块。显卡也称为显示适配器，不够其本质就是IO接口，起了个高大上的名字罢了，不要害怕。

显卡呢，是PCI设备，其就是插在上面那个图中的插槽的。

注：
PCI总线时并行架构，并行数据需要保证数据发送之后要同时到达目的地。否则就是一团乱麻。为了解决这个问题，其实就不得不采用一次一位这样的发送方式，而这也被称为串口显卡。有人说这样可能会很慢，但是其实也不一定。记住：速率=单次传送数据*频率。

为了显示图像，我们就需要显示器。但是无论是什么牌子的显示器，其都是由显卡来控制的。无论是哪种显卡，它提供给我们的可编程接口都是一样的：IO端口和显存。所以，同学们大家不要对硬件交互过于恐惧。

显存是什么：
显存是由显卡提供的，它是位于显卡内部的一块内存，所以称其为显存。

显卡的工作原理就是不断的读取显存，随后将其内容发送到显示器之中。所以，我们要做的工作就是往这块内存中不断写数据。写什么数据呢？

当然是一个约定啦，ASCII码，按照这个写就可以了：

显卡交互

那么问题来了，我们知道要写什么了，那么怎么写到缓存里面呢？

我们先来看一些显存的地址分布：

起始	结束	大小	用途
C0000	C7FFF	32KB	显示适配器BIOS
B8000	BFFFF	32KB	用于文本模式显示适配器
B0000	B7FFF	32KB	用于黑白显示适配器
A0000	AFFFF	64KB	用于彩色显示适配器

注：
这里的地址是实模式哦

我们实现文本模式就可以了。也就是往上面0xB8000 ~0xBFFFF 这个地址范围写数据咯。
那么一个屏幕可以显示多少个文本呢？一本来说屏幕显示是行数*列数。常用规格有80×25、40×25、80×43 等等。我们这里就默认的 80×25 就好了。

我们要注意一个问题：彩色字符是怎么实现的呢？
是的，即便在文本模式下面，也是可以打印彩色字符的。实现原理就是用两个字节表示一个字符，其中1个字节表示文本内容，一个字节表示文本属性。其内存布局如下：

图示说的很明白我这里就不赘述了。
下图显示了RGB三原色不同组合的效果：

R	G	B	不高亮	高亮
0	0	0	黑	灰
0	0	1	蓝	浅蓝
0	1	0	绿	浅绿
0	1	1	青	浅青
1	0	0	红	浅红
1	0	1	品红	浅品红
1	1	0	棕	黄
1	1	1	白	亮白

所以说，我们要打印出黑底亮白字的效果就需要往显存写入：0000 1111，即0x0F

控制显示器

所以，我们现在已经了解所有原理的。我们可以上手写代码了：

; 显卡主引导程序
;
; LOADER_BASE_ADDR equ 0xA000
; LOADER_START_ADDR equ 0x2SECTION MBR vstart=0x7c00mov ax,cs           ;初始化mov ds,axmov es,axmov ss,axmov sp,0x7c00mov ax,0xb800       ;0xb800 段基址mov gs,ax; 清屏利用0x06号功能，上卷全部行，进行清屏
; int 0x10  功能号：0x60    功能描述：上卷窗口
; 输入：
; AH 功能号： 0x06
; AL = 上卷的行数(0代表全部)
; BH = 上卷的行属性
; (CL,CH) = 窗口左上角(x,y) 的位置
; (DL,DH) = 窗口右下角(x,y)的位置
; 无返回值!mov ax,0600hmov bx,0700hmov cx,0        ;左上角(0,0)mov dx,0x184f   ;右下角(80,25);VAG文本模式中，一行只能容纳80个字符，总共25行;下标从0开始，所以0x18=24，0x4f=79int 10h
; 以下是操纵显示器打印字符mov byte [gs:0x00],'h'mov byte [gs:0x01],0x0F     ;黑底亮白不闪烁mov byte [gs:0x02],'e'mov byte [gs:0x03],0x0Fmov byte [gs:0x04],'l'mov byte [gs:0x05],0x0Fmov byte [gs:0x06],'l'mov byte [gs:0x07],0x0Fmov byte [gs:0x08],'o'mov byte [gs:0x09],0x0Fmov byte [gs:0x0a],','mov byte [gs:0x0b],0x0Fmov byte [gs:0x0c],'G'mov byte [gs:0x0d],0x0Fmov byte [gs:0x0e],'o'mov byte [gs:0x0f],0x0Fmov byte [gs:0x10],'s'mov byte [gs:0x11],0x0Fmov byte [gs:0x12],'!'mov byte [gs:0x13],0x0Fjmp $times 510-($-$$) db 0 ;总共512字节，需要有510个占位db 0x55,0xaa

很简单的汇编代码，做的事情也都写到注释里面了，起始也就是对MBR的代码的更改了一下。我们直接来看一下效果：

实现库函数put_char

我们刚刚讲了如何操作显示器。那我们现在来实现库函数put_char试试，至于为什么要写put_char，而不是要实现我们用的最多的put_str，是因为不管是put_int还是put_str最终其实本质调用的都是put_char，实现了这个，其他都触类旁通，对我们理解操作系统底层大有裨益。

用过的朋友都知道，put_char会往当前光标的位置写入一个字符，然后光标后移等待输入下个输入。

这个过程的逻辑很明晰了：

备份寄存器现场

pushad      ;备份32位寄存器环境

获取光标的位置

;获取当前光标位置;先获得高8位mov dx, 0x03d4  ;索引寄存器mov al, 0x0e      ;用于提供光标位置的高8位out dx, almov dx, 0x03d5  ;通过读写数据端口0x3d5来获得或设置光标位置 in al, dx       ;得到了光标位置的高8位mov ah, al;再获取低8位mov dx, 0x03d4mov al, 0x0fout dx, almov dx, 0x03d5 in al, dx

注：
我们要获取光标的值，首先就需要往端口地址为0x3d4的寄存器写入寄存器的索引0x0e，之后再从端口地址为0x3d5的地方读写数据。详情见CRT Controller寄存器规约。

获取待打印的字符

   ;下面这行是在栈中获取待打印的字符mov ecx, [esp + 36]       ;pushad压入4×8＝32字节,加上主调函数的返回地址4字节,故esp+36字

判断该字符是否是控制字符（回车、换行、或者退格这三个的处理不同），如果不是就打印出来了

   cmp cl, 0xd                  ;如果是回车符jz .is_carriage_returncmp cl, 0xa             ;如果是换行符jz .is_line_feedcmp cl, 0x8                 ;BS(backspace)的asc码是8jz .is_backspacejmp .put_other           ;正常打印字符

更新光标寄存器的值
恢复寄存器现场

退格符处理

平常我们输入退格符之后，操作系统给我们的反馈就是光标前移，之后当前字符被删掉。光标前移很好实现，但是当前字符被删掉其实是在原来的位置打印了一个空格，还是有字符的，只是我们 “不可见” 罢了。

所以分为两步：

原来的字符替换为空格

   dec bx                       ;bx为当前该打印的字符位置shl bx,1                     ;bx*2是光标在显存的相对地址mov byte [gs:bx], 0x20          ;将待删除的字节补为0或空格皆可inc bx                       ;bx+1 转到控制字符属性的地方mov byte [gs:bx], 0x07       ;打印不加亮的白色shr bx,1                     ;bx的位置回退

设置光标值为当前值减一，这要注意的是bx此时的位置在空格字符的前面，大概这个情况：

;;;;;;; 1 先设置高8位 ;;;;;;;;mov dx, 0x03d4            ;索引寄存器mov al, 0x0e              ;用于提供光标位置的高8位out dx, almov dx, 0x03d5           ;通过读写数据端口0x3d5来获得或设置光标位置 mov al, bhout dx, al;;;;;;; 2 再设置低8位 ;;;;;;;;;mov dx, 0x03d4mov al, 0x0fout dx, almov dx, 0x03d5 mov al, blout dx, al

换行符&回车符

这两个控制字符要达到的目的是一样的，光标移到下一行的开始。

   xor dx, dx                  ; dx是被除数的高16位,清0.mov ax, bx                 ; ax是被除数的低16位.mov si, 80                div si                      ; bx除80，余数是当前行字符的个数，在dx中存储sub bx, dx                  ; 光标值移到当前的行首add bx, 80                 ; bx换到下一行

打印可见字符

这个其实就是put_other函数，目的就是打印当前输入的字符，这个之前我们读入过了，存储在寄存器ecx之中。

   shl bx, 1               ; 光标位置是用2字节表示,将光标值乘2,表示对应显存中的偏移字节mov [gs:bx], cl            ; ascii字符本身inc bxmov byte [gs:bx],0x07      ; 字符属性shr bx, 1                 ; 恢复老的光标值inc bx                     ; 下一个光标值

滚屏操作

但是这就完了么，我们试想假如我们打印到了2000这个位置（80*25），那么我们的下个字符该怎么打印呢？

回想一下Linux对此的处理，其会把当前显存中的内容整体上移一行，这样第一行就消失啦，之后下面就会空出一行位置，大概是下面的这个过程：

那么其实也是可以分两步的：

搬运已存在内容上移一行

   cld  mov ecx, 960               ; 一共有2000-80=1920个字符要搬运,共1920*2=3840字节.一次搬4字节,共3840/4=960次 mov esi, 0xc00b80a0           ; 第1行行首mov edi, 0xc00b8000              ; 第0行行首rep movsd

光标移到最后一行，将最后一行填充为空白，之后重置光标为最后一行行首

;将最后一行填充为空白mov ebx, 3840           ; 最后一行首字符的第一个字节偏移= 1920 * 2mov ecx, 80                 ;一行是80字符(160字节),每次清理1字符(2字节),一行需要移动80次.cls:mov word [gs:ebx], 0x0720        ;0x0720是黑底白字的空格键add ebx, 2loop .cls mov bx,1920                 ;将光标值重置为1920,最后一行的首字符.

参考文献

[1] 操作系统真相还原
[2] 百度图片

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