[自制操做系統] 圖形界面&VBE工具&MMIO顯存&圖形庫/字庫

時間  2019-11-11
標籤 自制 系統 圖形界面 vbe 工具 mmio 圖形 字庫 简体版
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這裏寫圖片描述

本文記錄了在JOS（或在任意OS）上實現圖形界面的方法與一些圖形庫的實現。
本文中支持的新特性：java

  • 支持基本圖形顯示
  • 支持中英文顯示（中英文點陣字庫）

相關：VBE VESA MMIO 點陣字庫
Github : https://github.com/He11oLiu/MOSgit

About VESA

Video Electronics Standards Association（視頻電子標準協會，簡稱「VESA」）是制定計算機和小型工做站視頻設備標準的國際組織，1989年由NEC及其餘8家顯卡製造商贊助成立。創立VESA的原始目的是要制定分辨率爲800x600的SVGA視頻顯示標準。其後，VESA公告一系列的我的電腦視頻周邊功能的相關標準。github

VBE 功能調用

參考博客CSDN博客編程

VBE功能調用ruby

  • AH必須等於4FH，代表是VBE標準
  • AL等於VBE功能號，0<= AL <= 0BH
  • BL等於子功能號，也能夠沒有子功能
  • 調用INT 10H
  • 返回值在AX中
    • AL=4FH：支持該功能
    • AL!=4FH：不支持該功能
    • AH=00H：調用成功
    • AH=01H：調用失敗
    • AH=02H：當前硬件配置不支持該功能
    • AH=03H：當前的顯示模式不支持該功能

具體功能

此部分參考VESA編程——GUI離咱們並不遙遠，原做者博客已關閉。markdown

功能0x00：返回控制器信息

輸入： AX = 4F00h 返回VBE控制器信息 ES:DI = 指向存放VbeInfoBlock結構體的緩衝區指針 輸出： AX = VBE返回狀態

這個函數返回一個VbeInfoBlock結構體，該結構體定義以下：數據結構

// 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標識，應該填充的是」VESA」
  • vbe_version是VBE版本，若是是0300h則表示3.0版本
  • oem_string_ptr是指向oem字符串的指針，該指針是一個16位的selector:offset形式的指針，在實模式下能夠直接使用。
  • video_mode_ptr是指向視頻模式列表的指針，與oem_string_ptr類型同樣
  • total_memory是64kb內存塊的個數
  • oem_vendor_name_ptr是指向廠商名字符串的指針
  • oem_product_name_ptr是指向產品名字符串的指針

功能01 返回VBE模式信息

輸入： AX = 0x4F01 返回VBE模式信息 CX = 模式號 ES:DI = 指向VBE特定模式信息塊的指針 輸出： AX = VBE返回值

這個函數返回一個ModeInfoBlock結構體，其中重要的部分以下：tcp

  • mode_attributes字段，這個字段描述了圖形模式的一些重要屬性。其中最重要的是第4位和第7位。第4位爲1表示圖形模式(Graphics mode)，爲0表示文本模式(Text mode)。第7位爲1表示線性幀緩衝模式(Linear frame buffer mode)，爲0表示非線性幀緩衝模式。咱們主要要檢查這兩個位。
  • xresolution，表示該視頻模式的X分辨率。
  • yresolution，表示該視頻模式的Y分辨率。
  • bits_per_pixel，表示該視頻模式每一個像素所佔的位數。
  • phys_base_ptr，這是一個很是重要的字段，它給出了平坦內存幀緩衝區的物理地址，你能夠理解爲顯存的首地址。若是每一個像素佔32位的話，屏幕左上角第一個點所佔的緩衝區就是phys_base_ptr所指的第一個4個字節。按照先行後列的順序，每一個像素點所佔緩衝區依次緊密排列。咱們要想在屏幕上畫出像素點，就得操做以phys_base_ptr爲起始的物理內存空間。

功能02 設置VBE模式信息

輸入：
    AX      = 4F02h     設置VBE模式
    BX      =           須要設置的模式
            D0 - D8     = 模式號
            D9 - D10    = 保留（必須爲0）
            D11         = 0 使用當前缺省刷新率
                        = 1 使用用戶指定的CRTC值爲刷新率             D12 - D13   = 爲VBE/AF保留（必須爲0）
            D14         = 0 使用窗口幀緩衝區模式
                        = 1 使用線性/平坦幀緩衝區模式             D15         = 0 清除顯示內存
                        = 1 不清除顯示內存     ES:DI   =           指向CRTCInfoBlock結構體的指針

輸出：
    AX      =           VBE返回狀態

JOS實現

  • Qemu須要添加-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中實模式中獲取VBE，設置VBE函數

    sti
call    getvideomode  
call    setvideomode  
cli

    先獲取VBE模式，填充di，而後切換模式，設置VBE模式。

    根據上面查的VESA資料，調用函數，實現這兩個功能。

    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

    這裏設計了一個結構體來存放從boot傳來的東西。

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

  • init的時候，設計一個獲取boot_info的模塊

    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;
}

    這個地方我選擇初始化memory layout以後，開啓真正的頁表的時候才獲取信息。因此這裏要用KADDR進行物理地址到KVA的轉化。

  • 設計一個全局用於保存圖像相關信息的結構體

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

extern struct graph_info graph;

  • 利用MMIO映射一片顯存

    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;
}

補充圖像庫

上面基本已經實現了圖像顯示基本平臺。如今補充一些經常使用的圖像庫。

#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;
}

字庫實現

這部分也是老生常談了，板子上各類系統都實現過點陣字庫。

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;
}

直接把以前單片機的點陣字庫拿過來，不過單片機當時開發環境是win，找的字庫尋址模式是GB2312的。這裏把這個文件的編碼改成GB2312來正確編碼中文便可。實現效果見文章頭。

frambuffer

實際上，直接對顯存寫是很不負責任的行爲。很早以前在寫java的界面的時候，就接觸了雙緩衝技術，其實與顯示有關的思想都是差很少的，咱們應該提供一個framebuffer。當完成一個frame後，再將這個frame update到顯存中。

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);
}

通過實現kmalloc與kfree，已經能夠分配這個緩衝區，並直接向緩衝區寫入，最後再進行update

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

總結

至此，基本的GUI底層接口已基本實現，後面的就是各類數據結構的設計，窗口樹設計之類。這裏暫不打算繼續深究，轉而研究其他內核的東西。

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