一个操作系统的设计与实现——第6章 显卡驱动

进入内核以后，应该做些什么呢？本章将实现一个最容易看到效果的模块：显卡驱动。

6.1 什么是驱动

驱动这个词听起来很高大上，但实际上很简单，就是硬件的接口函数。在软件工程中，可以使用接口封装和简化设计，硬件也是一样。例如：想要读硬盘，需要很多指令设定好几个端口，然后等待硬盘就绪，最后才能读硬盘。这一套流程可以封装成一个接口函数，其接受三个参数：

1. 起始扇区号
2. 读取的扇区数
3. 数据存储的地址

这个函数就称为硬盘驱动。硬盘驱动的实现非常简单，但不是本章要讨论的内容。

6.2 显卡驱动的实现原理

本章要实现的是显卡驱动，说的再直白一些，就是printf函数。从0xb8000开始的4000字节决定了屏幕上显示的内容，所以，只需要往这段内存写入ASCII码，就能最终实现printf函数。不过，目前还缺少一样重要技术，那就是对光标的读写。如果没有光标，命令行的使用体验就会很差，无论是内核还是用户，都难以确定下一个要显示的字符应当出现在哪里。所以，对光标的读写是显卡驱动中的一个重要部分。

光标的读写需要使用一对端口：0x3d4与0x3d5。其中，0x3d4是索引端口，0x3d5是数据端口。这一对端口就像一个数组，想要读写数据，需要依次进行两步操作：

1. 向0x3d4端口写入一个索引值
2. 从0x3d5端口读出或写入数据

光标是一个16位的数字，其表示的是：从屏幕左上角开始偏移的字符数（注意不是字节数）。然而，0x3d4与0x3d5端口都是8位端口，所以，对光标的读写需要分成高8位与低8位分别进行，具体操作步骤如下：

1. 向0x3d4端口写入0xe
2. 从0x3d5端口读取或写入光标的高8位
3. 向0x3d4端口写入0xf
4. 从0x3d5端口读取或写入光标的低8位

综上，基于光标读写和显存，就能实现出显卡驱动了。

6.3 内联汇编

光标的读写函数可以使用汇编语言实现，也可以使用内联汇编。内联汇编适用于在C语言代码中插入一段短小的汇编代码，在我们的操作系统中比较常用。本节将介绍GCC提供的拓展内联汇编语法。

拓展内联汇编的框架如下：

__asm__ __volatile__(
    汇编代码...
    : 输出约束
    : 输入约束
    : 寄存器或内存修改指示
);

__asm__是内联汇编的关键词，__volatile__用于阻止编译器对内联汇编代码进行任何优化，这对于操作系统的代码来说是必须的。

这四个部分不需要每次都全部写出，具体来说，如果只有汇编代码和输出约束，就可以这样写：

__asm__ __volatile__(
    汇编代码...
    : 输出约束
);

然而，如果只有输入约束而没有输出约束，则输出约束前面的冒号不可省略，否则就会引起歧义：

__asm__ __volatile__(
    汇编代码...
    :
    : 输入约束
);

下面分别对这四个部分进行讨论。

6.3.1 汇编代码

内联汇编使用的是AT&T汇编语言，汇编代码以字符串的形式给出，各指令之间以需要以分号或换行符隔开。例如：

__asm__ __volatile__("pushf; popf");

或：

__asm__ __volatile__(
    "pushf\n\t"
    "popf\n\t"
);

此外，寄存器需要额外前置一个百分号，例如：

__asm__ __volatile__(
    "mov %%eax, %%ebx\n\t"
    "inc %%ebx\n\t"
);

这样做的原因将在下文中讨论。

6.3.2 输出约束

内联汇编是插入到C语言代码中的一段汇编代码。所以，其需要通过输出约束和输入约束与外面的C语言代码进行衔接。输出约束的语法如下：

: "..."(变量名), "..."(变量名), ...

"..."中填写的是一类特殊的字符，列举如下：

此外，字符前面还需要添加以下字符中的一个：

内联汇编保证：当这段内联汇编结束后，括号中的这个变量的值，就是其选用的寄存器或内存中的值。例如：

unsigned N = 0;

__asm__ __volatile__("mov $6, %%eax": "=a"(N));

// 此时，N == 6

对于"=r"或"=g"这种比较模糊的约束，内联汇编提供了占位符语法。具体来说，从输出约束的第一个约束开始，到输入约束的最后一个约束结束，依次对约束从0开始编号，然后，第N个约束就可以使用%N代替。例如：

unsigned N = 0;

__asm__ __volatile__("mov $6, %0": "=r"(N));

// 此时，N == 6

内联汇编认为，占位符比具体的寄存器更加常用，所以，指代具体寄存器时需要额外前置一个百分号。

占位符引出了一个问题：对于EAX来说，其还可以是AX，AL，AH，所以，占位符也需要与之对应的语法以区分寄存器的宽度。这三种情况在占位符中分别写作：%wN，%bN，%hN。例如：

unsigned N = 0;

__asm__ __volatile__(
    "mov $6, %b0\n\t"
    "mov $6, %h0\n\t"
    : "=r"(N)
);

// 此时，N == 0x606

6.3.3 输入约束

输入约束使用的字符串与输出约束一致，且不需要前置等号或加号。内联汇编保证：在执行这段内联汇编之前，会将变量的值传送到指定的寄存器或内存中。例如：

unsigned N = 0;

__asm__ __volatile__(
    "mov %%eax, %%ebx\n\t"
    : "=b"(N)
    : "a"(6)
);

// 此时，N == 6

也可以使用占位符：

unsigned N = 0;

__asm__ __volatile__(
    "mov %1, %0\n\t"
    : "=r"(N)
    : "r"(6)
);

// 此时，N == 6

如果在输出约束中使用了+，则这个变量先作为输入，后作为输出，例如：

unsigned N = 0, M = 0x1000;

__asm__ __volatile__(
    // %0作为输入
    "add %0, %1\n\t"
    "mov %1, %0\n\t"
    // %0作为输出
    : "+r"(N)
    : "r"(M)
);

// 此时，N == 0x1000

又如：

unsigned N = 0;

__asm__ __volatile__(
    "inc %0\n\t"
    : "+r"(N)
);

// 此时，N == 1

6.3.4 寄存器或内存修改指示

内联汇编可能会修改一些寄存器或内存的值。对于已经出现在输入约束或输出约束中的那些，编译器是知道的，然而，如果汇编代码还修改了其他寄存器或内存，编译器就无从得知了。因此，这部分信息需要声明在修改指示中。

如果修改了其他寄存器，需要将其全名写在一个字符串中，如"ax"，"edx"等。寄存器的宽度在这里并不重要，编译器会一律当作最宽的寄存器处理。例如，就算只写了"al"，编译器也会将其视为"eax"。如果修改了内存，就需要写"memory"。多个声明之间以逗号隔开。例如：

__asm__ __volatile__(
    "mov %%eax, %%ebx\n\t"
    "mov %%eax, %%ecx\n\t"
    :
    : "a"(6)
    : "ebx", "ecx"
);

上例中，由于EAX已经在输入约束中声明过了，所以不需要在最后重复声明。

又如：

__asm__ __volatile__(
    "movl $6, (%%eax)\n\t"
    :
    :
    : "memory"
);

6.3.5 独占约束

最后，还要讨论一种非常特殊的情况：

unsigned CR3;

__asm__ __volatile__(
    "mov %%cr3, %0\n\t"
    "mov %1, %%cr3\n\t"
    : "=r"(CR3)
    : "r"(0x6)
);

这段代码看似没什么问题，但编译器实际生成的代码可能是这样的：

...
mov %cr3, %eax
mov %eax, %cr3
...

可以看到，%0和%1使用了相同的寄存器。这是因为：内联汇编只保证，当内联汇编结束以后，会将寄存器中的值传送到变量中，而在此之前，就没有任何保证了。所以，编译器可以将一个寄存器先用在别处，最后再用于输出。一般情况下，对输出约束中的寄存器的写入都发生在内联汇编的最后，所以不会产生问题，但在这个例子中不是这样，在对输出约束寄存器%0写入后，又执行了其他代码，此时，一旦共用寄存器，就会产生错误。

想要避免这个问题，需要在输出约束中附加"独占约束"，写作=&...，这样一来，编译器就会为这个约束单独安排一个寄存器，保证不会共享。所以，正确的写法如下：

unsigned CR3;

__asm__ __volatile__(
    "mov %%cr3, %0\n\t"
    "mov %1, %%cr3\n\t"
    : "=&r"(CR3)  // 使用独占约束
    : "r"(0x6)
);

6.4 显卡驱动的实现

请看本章代码6/Util.h。

这个头文件中声明了一些杂项，包括bool（相当于C语言标准库的stdbool.h），定宽整数类型（相当于C语言标准库的stdint.h的一部分），以及不定长参数的一种简化实现（相当于C语言标准库的stdarg.h）。真正的stdarg.h无法基于C语言本身实现，必须由编译器提供支持，这是因为不定长参数的位置与编译器的优化直接相关。这里的实现仅考虑cdecl调用约定，且不能在打开优化的编译模式下使用。

接下来，请看本章代码6/Print.h。

这个头文件中声明了显卡驱动的各种函数。

接下来，请看本章代码6/Print.hpp。

第6行，定义了供printHex函数使用的16进制转换表。

__getSector函数与__setSector函数用于获取光标和设置光标，其使用内联汇编实现。

printChar函数用于打印一个字符，它是显卡驱动中最重要的函数。无论要打印什么，最终都是通过调用这个函数实现的。

第57行，获取光标位置。

第59~80行，分三种情况打印字符，分别为：

1. 第61~69行，如果待打印的字符是\b，则将光标回退一格。这里需要小心：只有大于0的光标才能回退。光标回退后，还需要构造"删除字符"的假象，可以通过在光标处打印一个空格实现
2. 第71~74行，如果待打印的字符是\n或\r，则将光标修改为下一行的行首。可以通过先对光标做除法，再做乘法实现
3. 第76~79行，对于其他字符，直接打印即可。打印后，需要将光标加1。请注意：光标是屏幕上字符的偏移量，不是显存地址的偏移量，二者之间是两倍的关系

第82~97行，用于实现滚屏。一屏幕有2000个字符，所以，当光标大于等于2000时就溢出了。此时需要将整个屏幕的内容向上抬一行，这包括以下三个步骤：

1. 第84~88行，将第2~25行的显存复制到第1~24行。注意：AT&T语法的movsd指令应写为movsl
2. 第90~94行，将第25行清空。类似的，AT&T语法的stosd指令应写为stosl。此外，清空显存不能使用"a"(0)，如果这样做，颜色信息就丢失了
3. 第96行，将光标设置为1920，这是最后一行的开头

第99行，将新的光标值写入显卡。一个字符就打印完成了。

printStr函数，printInt函数，printHex函数都是对printChar函数的封装。

printf函数的实现使用了只有两个状态的自动机写法。这两个状态分别为：

• 没有看到百分号
• 上一个字符是百分号

这个printf函数只支持%%、%c、%s、%d、%x这几种格式，分别对应于上面实现的几个函数。

__cleanScreen函数用于清屏，并设置光标为0。

printInit函数是__cleanScreen函数的封装，其用于初始化显卡驱动。

接下来，请看本章代码6/Kernel.c。

第5行，调用printInit函数，完成显卡驱动的初始化。

6.5 测试

本章代码6/Kernel.c测试了printf函数的各项功能。

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