[自制操作系统] 图形界面&VBE工具&MMIO显存&图形库/字库

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：

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/MOS

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作站视频设备标准的国际组织，1989年由NEC及其他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公告一系列的个人电脑视频周边功能的相关标准。

VBE 功能调用

参考博客CSDN博客

VBE功能调用

AH必须等于4FH，表明是VBE标准
AL等于VBE功能号，0<= AL <= 0BH
BL等于子功能号，也可以没有子功能
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离我们并不遥远，原作者博客已关闭。

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，该结构体定义如下：

// 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，如果是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，在实模式下可以直接使用。
video_mode_ptr是指向视频模式列表的指针，与oem_string_ptr类型一样
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，其中重要的部分如下：

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。我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，表示该视频模式每个像素所占的位数。
phys_base_ptr，这是一个非常重要的字段，它给出了平坦内存帧缓冲区的物理地址，你可以理解为显存的首地址。如果每个像素占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，每个像素点所占缓冲区依次紧密排列。我们要想在屏幕上画出像素点，就得操作以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      =           需要设置的模式

            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需要添加-vga std

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

sti

call    getvideomode

call    setvideomode

cli

先获取VBE模式，填充di，然后切换模式，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之后，开启真正的页表的时候才获取信息。所以这里要用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。现在补充一些常用的图像库。

#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，板子上各种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;

}

直接把之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为GB2312来正确编码中文即可。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。很早之前在写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不多的，我们应该提供一个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);

}

经过实现kmalloc与kfree，已经可以分配这个缓冲区，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，后面的就是各种数据结构的设计，窗口树设计之类。这里暂不打算继续深究，转而研究其余内核的东西。

秒客网

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VBE 功能调用

具体功能

功能0x00：返回控制器信息

功能01 返回VBE模式信息

功能02 设置VBE模式信息

`JOS`实现

补充图像库

字库实现

frambuffer

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