从零开始写 OS 内核 - 显示与打印

系列目录

• 序篇
• 准备工作
• BIOS 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• 全局描述符表 GDT
• 中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 第一个 kernel 线程
• 多线程切换
• 锁与多线程同步
• 进入用户态
• 进程的实现
• 系统调用
• 简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 键盘驱动
• 运行 shell

kernel 的世界

接上一篇 加载并进入 kernel，我们终于来到了kernel 的大门，本篇开始将正式展开 kernel 阶段的工作。有一个好消息是我们终于可以开始以 C 语言为主的编程，似乎可以告别汇编的汪洋大海了，不过汇编仍然会在后面用到，它们都是小规模地出现，但都处于十分重要的关键节点上。

总的来说，kernel 的主要任务将包括以下几个部分：

• 建立完善的内存管理机制，这主要包括了 virtual memory，以及 heap / kmalloc 的实现；
• 建立多任务管理系统，即 thread / process 的运行和管理；
• 实现简单的硬件驱动，主要是 disk 和 keyboard；
• 实现用户态程序的加载和运行，提供系统调用（system call）；

不过在开始之前，我们需要做一些前期准备工作，其中很重要的一项就是屏幕显示，毕竟总得能有些看得见摸得着的东西，才能让我们能持续获得一些正反馈，而且其中 print 相关的函数也是对后面的开发调试至关重要。所以本篇的主要内容就是对屏幕显示的控制，以及打印 string 等功能的开发，相对而言没什么难度，轻松愉快。

本篇的实现我主要是参考了之前推荐的 JamesM's kernel development tutorials，它讲的还是很清楚的，你也可以参考下。

VGA 显示

按惯例，首先给出本篇的代码，主要在 src/monitor/ 目录下。

我们用到的是 VGA text mode，一种古老的显示模式，它的原理简单来说就是用 32KB 内存来控制一个 25 行 * 80 列 的屏幕终端。这 32KB 内存被映射到了哪里呢？

答案是低 1MB 内存的 0xB800 ~ 0xBFFF 这一段，我们可以通过访问并修改这一段内存的值来控制屏幕显示。

当然我们已经打开 paging 并进入了 kernel，低 1MB 的内存已经被映射到了 0xC0000000 以上，所以我们可以使用 0xC000B800 ~ 0xC000BFFF 来访问，即图中深蓝色部分。

我们在代码里定义了显示内存的地址：

// The VGA framebuffer starts at 0xB8000.
uint16* video_memory = (uint16*)0xC00B8000;

上面说了屏幕上有 25 * 80 = 2000 个字符，每个字符需要使用 2 个 byte 控制，这样一屏幕就是 4000 个 byte，所以 32 KB 可以容纳大约 8 屏的内容。不过虽然有 8 屏幕的数据，我们为了简单起见，只控制第一屏幕的数据，超出部分就不予显示，也不支持上下翻屏等功能。

要在屏幕上某处打印字符，就是去修改（0xC00B8000 + 对应偏移量） 的位置上的内存就可以了。

字符显示

在屏幕上，一个字符由 2 个 byte 控制，我直接贴 wiki 百科上的图了：

其中低 byte 存储了字符的 ASCII 值，高 byte 则控制颜色（包括前景色和背景色）和闪烁， 非常简单。

3 个 bit 可以显示 8 种颜色：

#define COLOR_BLACK     0
#define COLOR_BLUE      1
#define COLOR_GREEN     2
#define COLOR_CYAN      3
#define COLOR_RED       4
#define COLOR_FUCHSINE  5
#define COLOR_BROWN     6
#define COLOR_WHITE     7

前面再加上一个 bit 可以控制高亮或者普通，注意只有前景色是 4-bit 可以支持这个：

#define COLOR_LIGHT_BLACK     8
#define COLOR_LIGHT_BLUE      9
#define COLOR_LIGHT_GREEN     10
#define COLOR_LIGHT_CYAN      11
#define COLOR_LIGHT_RED       12
#define COLOR_LIGHT_FUCHSINE  13
#define COLOR_LIGHT_BROWN     14
#define COLOR_LIGHT_WHITE     15

光标控制

除了字符外，屏幕上还有一个重要的角色就是光标，一般用来标记了当前所处的位置。但实际上光标位置和打印字符的位置完全没有任何关系，你只要指定了坐标，可以在任何地方打印字符，而让光标在远处看寂寞。不过通常按照习惯，我们总是让光标在下一个打印位置上闪烁。

所以代码里定义了光标的位置：

// Stores the cursor position.
int16 cursor_x = 0;
int16 cursor_y = 0;

更新光标位置，需要对几个硬件端口进行操作：

static void move_cursor_position() {
  // The screen is 80 characters wide.
  uint16 cursorLocation = cursor_y * 80 + cursor_x;
  // Tell the VGA board we are setting the high cursor byte.
  outb(0x3D4, 14);
  // Send the high cursor byte.
  outb(0x3D5, cursorLocation >> 8);
  // Tell the VGA board we are setting the low cursor byte.
  outb(0x3D4, 15);
  // Send the low cursor byte.
  outb(0x3D5, cursorLocation);
}

outb 函数，以及它对应的 inb 函数，定义在 src/common/io.c 里，是操作端口用的函数。

打印字符

下面我们需要定义几个 print 功能的函数，最基础的当然是打印一个字符：

void monitor_write_char_with_color(char c, uint8 color);

详细的代码我不贴了，主要几个步骤：

• 拼出这个打印的字符的 2-bytes 表示；
• 在当前光标的位置上打印这个字符，其实就是把 2-bytes 赋值给相应位置的显示内存上；
• 滚动屏幕，如果需要的话（溢出了最后一行）；
• 将光标移动到下一个位置；

有了最基础的打印一个字符的功能，接下来就可以实现字符串，十进制，十六进制整数的打印等功能，这样 print 相关的函数就比较丰富了，可以满足我们的很多需要，不过其中我认为最重要的一个函数还没有实现，那就是 printf。

printf 的实现

就像 C 标准库里的 printf，它需要能支持多个模板参数：

void printf(char* str, ...);

那应该如何实现这样的函数？

其实我也不太清楚正确的做法应该是什么，这里只是介绍我个人的实现方式。这里关键就是需要能获取省略号部分的可变参数，而它们其实在 printf 函数调用时被压到了 stack 上：

因此，后面的可变参数起始位置就在 ebp + 12 的位置处。

void monitor_printf(char* str, ...) {
  void* ebp = get_ebp();
  void* arg_ptr = ebp + 12;
  monitor_printf_args(str, arg_ptr);
}

get_ebp 这个函数定义在了 src/common/util.S 中，非常简单：

[GLOBAL get_ebp]
get_ebp:
  mov eax, ebp
  ret

其实还有一个更简单的方法就是用 char* str 的地址加 4，也可以得到后面参数的地址。

当然这个方法获取参数的方法其实并不是严谨的，它完全依赖于体系架构和编译器的行为。当前这个方案只适合于 32 位 x86 架构，并且要在目前给出的编译选项下才行得通。如果想要支持更多的平台和编译器，还需要做一些扩展。不过对于我们的项目而言，它应该是完全够用的，毕竟这只是一个教学实践用的系统，不必过于苛求这些。