实验日期	实验项目
2020.10.22	第4天 C语言和画面显示的练习

文章目录

一、实验主要内容
- 1、内容1 用C语言实现内存写入
- 2、内容2 条纹图案
- 3、内容3 挑战指针和指针的应用
- 4、内容4 色号设定
- 5、内容5 绘制矩形和系统界面
二、遇到的问题及解决方法
- 1、描述问题1
三、程序设计创新点
- 1、描述创新点1，关键代码及结果截图
四、实验心得体会

一、实验主要内容

1、内容1 用C语言实现内存写入

(1).内容概要

实验内容：用C语言实现内存写入，即向指定地址中写入指定的数据。
实验重点：理解写入的原理和函数参数传入内存地址中的位置。

使用汇编语言编写一个write_mem8函数来实现对指定地址中数据的写入，wirte_mem8函数的参数1是地址，参数2是写入该地址的数据值。调用函数时，会在内存中开辟函数栈空间，函数参数从栈顶指针esp+4的位置开始存储，有如下对应关系：


第一个参数的存放地址	ESP+4
第二个参数的存放地址	ESP+8
第三个参数的存放地址	ESP+12

另外，指定内存地址的地方，可以自由使用寄存器EAX，ECX，EDX，其他寄存器因为在C语言编译生成的机器语言中用于记忆非常重要的值，因此只能使用其值，不能改变其值。

(2).关键代码分析

naskfunc.nas代码分析
[FORMAT "WCOFF"]
[INSTRSET "i486p"]    ;告诉nask，程序是给486使用的
[BITS 32]
[FILE "naskfunc.nas"]     GLOBAL  _io_hlt ,_write_mem8;
[SECTION .text]
_write_mem8:  ;void write_mem8(int addr,int data)MOV ECX,[ESP+4]   ;[ESP+4]存放的是地址MOV AL ,[ESP+8]   ;[ESP+8]存放的是数据MOV [ECX],ALRET

wirte_mem8函数是使用汇编语言写的，将地址和写入数据存放到对应的寄存器中，再利用相应的间接寻址的方式把数据写入指定地址中去。之和的实验中会使用C语言直接对内存写入，现在先暂时用汇编实现。

bootpack.c代码分析
void io_hlt(void);
void write_mem8(int addr,int data);
void HariMain(void)
{int i;for(i=0xa0000;i<=0xaffff;i++)//0xa0000-0xaffff这64k大小的内存中用来设定颜色{write_mem8(i,15);//将第2个参数的值写入第1个参数表示的地址中}for(;;){io_hlt();}
}

这部分代码在for循环中调用write_mem8函数将64k大小的图形缓冲区中每个像素换成15，即白色所对应的像素数值。替换完成后，运行代码，显示屏就会变成白色。

2、内容2 条纹图案

(1).内容概要

实验内容：绘制条纹图案

为了改变显示在屏幕上的图案，绘制出不同的图案效果。可以使用C语言中的逻辑运算符去改变颜色的色号。图形数据处理方式总结如下：


和1相或（OR）	使特定位变1
和0相与（AND）	使特定位变0
和1相异或（XOR）	使特定位反转

(2).关键代码分析

Bootpack.c代码分析
void io_hlt(void);
void write_mem8(int addr,int data);
void HariMain(void)
{int i;for(i=0xa0000;i<=0xaffff;i++){write_mem8(i,i & 0x0f);//i和0x0f相与，得到16种不同的色号}for(;;){io_hlt();}
}

这部分代码主要是用来绘制条纹图案。将i和0x0f相与，将会是i的值从0—f开始循环，对应在画面上的效果就是0-f对应 16种颜色，按照列依次排列形成条纹图案。
代码实现的效果如下：

3、内容3 挑战指针和指针的应用

(1).内容概要

实验内容：了解指针的概念以及用法；学会使用指针将数据写入内存，并能够完成相应图形的绘制。
实验重点：掌握几种使用指针将数据写入内存的方法，并能够熟练地使用指针。

在汇编语言中，可以省略BYTE等的情况：源和目的操作数位数相同；源和目的操作数均是寄存器。当我们使用指针（地址的专用变量）时，可以相应用于BYTE，WORD类地址。对应关系如下：


char *p	用于BYTE类地址,1个字节
short *p	用于WORD类地址，2个字节
int *p	用于DWORD类地址，4个字节

引入指针后，对于MOV ECX，I;MOV BYTE [ECX], (I &0x0f)两句汇编语言可以用C语言替代，声明一个指针变量p，指针变量指针地址ECX，*p表示该地址中存放的值，使用赋值语句即可改变地址p中存放的数值。
下表是对将数据写入内存的几种方式的总结：

方式	用法（使用的语句）
汇编语言MOV指令	MOV ECX，地址；MOV AL，数据；MOV [ECX],AL
类型转换	((char ) i)=数据，i为写入的位置
指针	i[p]=数据;p[i]=数据; (p+i)=数据;这3种方式中p为写入的首地址，需要提前指定,i为相对于首地址的偏移量p=(char )i , *p=数据

(2).关键代码分析

bootpack.c代码分析
void io_hlt(void);
void write_mem8(int addr,int data);
void HariMain(void)
{int i;char *p;for(i=0xa0000;i<=0xaffff;i++){p=(char *)i;//这样写是为了消除警告*p=i & 0x0f;}for(;;){io_hlt();}
}

这部分代码是使用指针向内存写入数据，实现之前的图形绘制。其中p=(char )i用到了类型转换。类型转换是改变数值类型的命令，一般不必每次都注意类型转换，但是这里的给指针变量赋值时需要先强制类型转换为对应类型，不然会存在警告，因为不是每个数值都可以用来作为内存地址。在for循环中内容也可以相应使用类型转换将数据写入内存的语句替换，如((char *) i)=i & 0x0f，或者使用指针的其他写法，如i[p]=i &0x0f，p[i]=i &0x0f, *(p+i)=i & 0x0f。

4、内容4 色号设定

(1).内容概要

实验内容：设定相应的颜色，在8位彩色模式下，初始化调色板。

本次实验中使用320*200的8位颜色模式，色号使用8位（二进制）数表示，但是这种方式可以指定的颜色很少。一般指定颜色是采用#ffffff的方式，使用6位16进制的数，用2位16进制的数表示R，2位16进制的数表示G，2位16进制的数表示B，也就是RGB的色彩表示方法。实验中用到的0-15号码的颜色如下：

调色板的访问步骤：

 a.设置中断屏蔽b.将设定的调色板号码写入0x03c8,将颜色按照RGB的顺序写入0x03c9。当设定多个调色板号码时，可以省略调色板号码，直接写入颜色。c.如果想要读出调色板的状态，则首先将调色板号码写入0x03c7,在从0x03c9中依次读出RGB。d.取消中断屏蔽。

汇编指令：IN指令是从设备取得电气信号，OUT指令是向设备发送电信号。IN和OUT指令可以实现CPU和设备之间的端口通信。PUSHFD指令是将标志位按照双字节压入栈，即PUSH EFLAGS，POPFD指令是将标志位按照双字节弹出栈，即POP EFLAGS。

EFLAGS寄存器的介绍：EFLAGS 是一组用来存放进位标志和中断标志等标志的存储器。进位标志可以用JC或者JNC来判断进位标志是否为0.。对于中断标志，需要读入EFLAGS，检查第9位的情况，第9位为0，忽视中断请求，否则则是立即处理中断请求。

(2).关键代码分析

和之前内容1,2,3部分相同的代码不做说明
汇编代码部分

_io_cli: ; void io_cli(void);//设置中断位为0CLIRET
_io_sti:    ; void io_sti(void);//设置中断位为1STIRET

init_palette代码分析

void init_palette(void)
{static unsigned char table_rgb[16 * 3] = {//定义16种颜色的数组0x00, 0x00, 0x00,   /*  0:黒 */0xff, 0x00, 0x00, /*  1:亮红 */…0x84, 0x84, 0x84    /* 15:暗灰 */};set_palette(0, 15, table_rgb);//设置调色板return;/* C语言中static char 语句只能用于数据，相当于汇编中的DB指令*/
}

这部分代码是初始化调色板，首先定义一个16*3的二维数据，每行表示一种颜色，将0-15号颜色按照RGB的顺序调用set_palette写入调色板

set_palette代码分析

void set_palette(int start, int end, unsigned char *rgb)
{int i, eflags;eflags = io_load_eflags();  /* 记录中断许可标志的值 */io_cli();                   /* 将中断许可标志置为0，禁止中断 */io_out8(0x03c8, start);for (i = start; i <= end; i++) {io_out8(0x03c9, rgb[0] / 4);io_out8(0x03c9, rgb[1] / 4);io_out8(0x03c9, rgb[2] / 4);rgb += 3;}io_store_eflags(eflags);  /* 复原中断许可标志 */return;
}

这部分代码是设定的颜色写入对应的设备号码中。首先使用io_load_sflags（）函数记录中断许可标志，接着调用io_cli（）函数设置中断屏蔽，将设定的调色板号码写入0x03c8，使用for循环从start到end按照RGB的顺序分别将end-start+1钟颜色写入0x03c9。最后使用io_store_aflags()取消中断屏蔽。

5、内容5 绘制矩形和系统界面

(1).内容概要

实验内容：通过像素坐标绘制不同颜色，不同大小，不同位置的矩形。
实验重点：掌握像素坐标和绘制图形之间的关系，即图像的坐标系；学会利用坐标关系画画。

(2).关键代码分析

#define COL8_000000      0
…
#define COL8_848484     15
采用宏定义不同的色号
void boxfill8(unsigned char *vram, int xsize, unsigned char c, int x0, int y0, int x1, int y1)
{int x, y;for (y = y0; y <= y1; y++) {for (x = x0; x <= x1; x++)vram[y * xsize + x] = c;}return;
}

这部分代码是绘制矩形的代码。输入4个坐标参数，分别表示矩形左上角的坐标和矩形右下角的坐标，从而确定整个矩形。y*xsize+x表示按照列的方式进行访问，vram[y * xsize + x] = c表示给坐标为(x,y)的像素设置值为c。

void HariMain(void)
{char *p; init_palette(); /*设定调色板*/p = (char *) 0xa0000; /* 颜色设定的首地址*/boxfill8(p, 320, COL8_FF0000,  20,  20, 120, 120);//绘制矩形左上角坐标为(20,20)，右下角坐标为(120,120)boxfill8(p, 320, COL8_00FF00,  70,  50, 170, 150);boxfill8(p, 320, COL8_0000FF, 120,  80, 220, 180);for (;;) {io_hlt();}
}

这部分代码是绘制三个不同颜色矩形的代码。绘制系统界面的代码类型，关键在于去确定矩形的位置。坐标系中y轴正方向水平向下，x轴正方向水平向右。以下是对系统界面的绘制的分析。

boxfill8(vram, xsize, COL8_008484,  0,         0,          xsize -  1, ysize - 29);
//系统界面的上半部分
boxfill8(vram, xsize, COL8_C6C6C6,  0,         ysize - 28, xsize -  1, ysize - 28);
boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF,  0,         ysize - 27, xsize -  1, ysize - 27);
//上部分界面和下部分界面的分界
boxfill8(vram, xsize, COL8_C6C6C6,  0,         ysize - 26, xsize -  1, ysize -  1);
//界面下半部分
boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF,  3,         ysize - 24, 59,         ysize - 24);
boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF,  2,         ysize - 24,  2,         ysize -  4);
boxfill8(vram, xsize, COL8_848484,  3,         ysize -  4, 59,         ysize -  4);
boxfill8(vram, xsize, COL8_848484, 59,         ysize - 23, 59,         ysize -  5);
//左下角的方框
boxfill8(vram, xsize, COL8_000000,  2,         ysize -  3, 59,         ysize -  3);
boxfill8(vram, xsize, COL8_000000, 60,         ysize - 24, 60,         ysize -  3);
//左下角方框的阴影效果
boxfill8(vram, xsize, COL8_848484, xsize - 47, ysize - 24, xsize -  4, ysize - 24);
boxfill8(vram, xsize, COL8_848484, xsize - 47, ysize - 23, xsize - 47, ysize -  4);
boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF, xsize - 47, ysize -  3, xsize -  4, ysize -  3);
boxfill8(vram, xsize, COL8_FFFFFF, xsize -  3, ysize - 24, xsize -  3, ysize -  3);
//右下角方框

两份代码绘制效果如下：

二、遇到的问题及解决方法

1、描述问题1

问题描述

教材第77页，set_palette函数中rgb[0]/4、rgb[1]/4、rgb[2]/4为什么要除以4？

解决方法

起初原本的想法是除以4之后，是为了提高颜色的灰度。经过试验发现确实如此，当增大除数的时候，颜色显示会变得越来越暗，除以一个数相当于是进行右移操作，颜色的像素值会变小，对应的颜色也会逐渐加深，但是对于除以4的解释还是不够全面。后来通过同学的启示，从图形显示模式入手，查阅资料得到如下原因。

本次实验绘制图形是在3202008的八位彩色图形模式下进行的。通过查阅资料可以知道VGA指定调色板颜色时，一个颜色频道只有6位，而我们使用的24位颜色模式中8位表示R，8位表示G，8位表示B，已经超出了颜色频道的表示位数，所以需要舍弃2位。考虑到颜色偏差不能太大，选择右移操作舍弃低2位，对应的操作就是除以4。

三、程序设计创新点

1、描述创新点1，关键代码及结果截图

创新点1

运用本次所学的图形显示技术，绘制了一个黄色的小人（以下简称小黄人），通过循环控制坐标的变化，可以使小黄人的双臂摆动，向屏幕前的你打招呼。背景颜色更换为亮灰色。

关键代码

矩形绘制代码和原代码一致
圆的绘制代码

圆弧的绘制代码和圆的绘制代码基本一致，不过因为是绘制圆弧，需要对x,y两个坐标进行位置的限制，使其绘制出的结果是一个弧形。

主体函数部分

使用ly和ry控制手上下挥动，m用来控制挥手速度，k用来控制抬手的高度

结果截图

小黄人挥手的动画效果通过3张图片展示。

四、实验心得体会

本次实验是自制操作系统的第4天，实验主要涉及的内容C语言的画面显示练习。笔者循序渐进从汇编开始实现内存写入，再到后面的指针使用，一步步进阶，设定调色板，熟悉图形的坐标系，最终可以使用C语言来绘制出不同的图形，甚至是动画的效果。第一次感觉自制操作系统有点样子了，可以实现画面显示，动画效果。
实验中涉及的知识点基本上都是之前学习过的，如函数调用的参数地址，返回值存放的寄存器，指针的使用等等，因此实验过程中比较顺利。本次实验的重点就是画面显示，对于一个图形画面，设计的关键就是去给对应位置的像素设置不同的颜色，从而达到画图的效果，但对于一些比较复杂的图像，需要编程的程序代码也会是很长很复杂的。

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30天自制操作系统——第4天实验总结

文章目录

一、实验主要内容

1、内容1 用C语言实现内存写入

2、内容2 条纹图案

3、内容3 挑战指针和指针的应用

4、内容4 色号设定

5、内容5 绘制矩形和系统界面

二、遇到的问题及解决方法

1、描述问题1

三、程序设计创新点

1、描述创新点1，关键代码及结果截图

四、实验心得体会

30天自制操作系统——第4天实验总结相关推荐

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一、实验主要内容

1、 内容1 用C语言实现内存写入

2、 内容2 条纹图案

3、 内容3 挑战指针和指针的应用

4、 内容4 色号设定

5、 内容5 绘制矩形和系统界面

二、遇到的问题及解决方法

1、 描述问题1

三、程序设计创新点

1、 描述创新点1，关键代码及结果截图

四、实验心得体会

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1、描述创新点1，关键代码及结果截图