ОСдев №9: основной загрузчик, часть 2. Работа с дисплеем при помощи функций BIOS. / программирование :: длиннопост :: ассемблер :: разработка :: Операционная система :: OSDev :: geek (Прикольные гаджеты. Научный, инженерный и айтишный юмор)

ОСдев №9: основной загрузчик, часть 2. Работа с дисплеем при помощи функций BIOS.

Дисклеймер: эта серия постов не про UEFI. Это не значит, что я не знаю о существовании UEFI. Про UEFI будет отдельная серия постов. Почему я не пишу про UEFI прямо сейчас? Потому что UEFI - это уровень абстракции над железом, а мне интересно именно железо и работа с ним.

Продолжаем? Сейчас наш загрузчик второго уровня работает в "немом" режиме - без возможности подать сигнал об ошибке или выполнении операции. Это необходимо исправить. Самое очевидное решение - вывод информации на дисплей. Мы уже условились, что на нынешнем этапе для работы нашей ОС будет необходима VGA-совместимая карта и дисплей, так что вправе рассчитывать на их наличие.

Программирование VGA-контроллера - сложная штука. Однажды мы ею обязательно займёмся, но сейчас, раз уж мы всё ещё в Реальном режиме, есть вариант попроще: функции BIOS. Функции, связанные с работой дисплея, доступны через прерывание 10h. Мы уже пользовались им для вывода текста в первичном загрузчике, но так как теперь мы не ограничены в размере программы, функционал можно будет расширить.

Первое, что нам стоит сделать - установить нужный видеорежим на случай, если BIOS этого не сделала. Кроме того, понадобятся функции считывания положения курсора, прокрутки экрана и вывода строки. Весь код, связанный с вводом/выводом будет храниться в отдельном файле. У меня он называется io.inc. Мы ещё не использовали подключаемые файлы, но ничего сложного тут нет: в TASM они объявляются директивой include, после которой идёт путь и имя файла. Единственная тонкость тут в том, что подключенный файл не будет вынесен в какую-то изолированную область памяти, как это делается в языках высокого уровня, а окажется в исполняемом файле именно там, где был объявлен. Поэтому лучше объявлять подключаемые файлы где-нибудь в конце, за пределами основного кода.

http://www.columbia.edu/~em36/wpdos/videomodes.txt

Нас интересует режим номер 3 - 80х25 символов, 16 цветов. Для его включения создадим в файле io.inc процедуру set_vmode3. Её полный текст будет выглядеть так:

set_vmode3 proc
                                  push ax
                                  push bx
                                  pushf

                                  xor ax,ax
                                  mov ah,0Fh
                                  int 10h
                                  cmp al,03h
                                  je @@exit_good

                                  mov ax,0003h
                                  int 10h

                                  xor ax,ax
                                  mov ah,0Fh
                                  int 10h
                                  cmp al,03h
                                  jne @@exit_bad

@@exit_good:          mov byte ptr vmode,al
                                  mov byte ptr vcol,ah
                                  mov byte ptr vrow,19h
                                  mov byte ptr vpage,bh

                                  popf
                                  clc
                                  pop bx

                                  pop ax
                                  ret

@@exit_bad:            popf
                                  stc
                                  pop bx
                                  pop ax
                                  ret
set_vmode3 endp

Начинается процедура, как и почти всегда у меня, с сохранения состояния используемых регистров в стеке. Это нетипичный для ассемблера подход. Обычно, создавая низкоуровневый код, программист стремиться максимально оптимизировать использование инструкций, по возможности обходясь без обращений к памяти, использования стека и вызова процедур. К сожалению, при работе над большим проектом это невозможно, и я на горьком опыте выяснил, что лучше потратить лишние циклы на инкапсуляцию процедуры, чем потом мучительно отлавливать баг, который появился из-за того, что какой-то регистр внепланово изменил значение.

                    xor ax,ax                    mov ah,0Fh
                    int 10h
                    cmp al,03h
                    je @@exit_good

Этот блок нужен для того, чтобы остановить выполнение процедуры, если режим 3 уже установлен. Сначала регистр AX обнуляется, чтобы мы точно знали его значение. Функция 15 (0Fh) прерывания 10h возвращает в регистре AL номер установленного режима. Далее мы сравниваем результат с нужным значением (3), и если они равны, то переходим к завершению процедуры, метка @@exit_good. Если режим 3 не установлен, продолжаем.

                    mov ax,0003h                    int 10h

Здесь мы опять вызываем прерывание 10h со следующими параметрами: AH = 0(функция 0, установка видеорежима), AL = 3(номер режима). После этого снова идёт проверка режима. Если AL всё ещё не равен 0 - вероятно, возникла проблема, которую мы не сможем решить. Переходим к метке @@exit_bad. Если AL равен 3, продолжаем от @@exit_good. Первым делом - сохраняем в переменные параметры режима, которые вернуло прерывание 10h. В AL - номер режима; в AH - количество колонок символов; в BH - активную страницу видеопамяти (об этом позже). Параметр vrow не возвращается, потому что технически количество символьных строк ограничено только объёмом видеопамяти, а не размером дисплея. После этого восстанавливаем сохранённые в начале регистры, устанавливаем CF (флаг переноса) в нужное положение и завершаем процедуру.

Готово. Теперь в основной модуль после call read_BPB добавляем call set_vmode3 и после этого jc panic. JC - инструкция условного перехода. Переход выполняется при установленном флаге CF. То есть, если наша процедура set_vmode3 завершилась неудачно, программа продолжится от метки panic. Так как невозможность установить видеорежим говорит либо о серьёзных неполадках, либо о несовместимом оборудовании, продолжать выполнение смысла нет. После метки panic останавливаем программу инструкциями cli и hlt.

Далее стоит вывести какое-нибудь приветствие или заголовок, просто чтобы уведомить пользователя о том, что программа работает. Для этого первым делом стоит узнать положение курсора, ведь на экране скорее всего уже есть какой-то текст от BIOS. Это тоже можно сделать с помощью прерывания 10h. Добавьте в io.inc процедуру get_cursor_pos:

get_cursor_pos proc                                      push ax
                                      push bx
                                      push cx
                                      push dx
                                      pushf

                                      mov ah,03h
                                      mov bh,byte ptr vpage
                                      int 10h
                                      mov byte ptr cursor_X,dl
                                      mov byte ptr cursor_Y,dh

                                      popf
                                      pop dx
                                      pop cx
                                      pop bx
                                      pop ax
                                      ret
get_cursor_pos endp

Про сохранение/восстановление используемых регистров объяснять больше не буду, а в остальном тут всё просто: вызываем функцию 3 прерывания 10h, в BH передаём активную страницу видеопамяти. Прерывание возвращает в DL позицию курсора по X, а в DH - по Y. Сохраняем в переменных. Готово. Далее нам понадобится процедура для прокрутки содержимого дисплея. Тут чуть сложнее, добавьте в io.inc:

scroll_up proc                                     push ax
                                     push bx
                                     push cx
                                     push dx
                                     pushf

                                     mov ah,06h
                                     mov bh,CS_DEFAULT
                                     xor cx,cx
                                     mov dl,byte ptr vcol
                                     dec dl
                                     mov dh,byte ptr vrow
                                     dec dh
                                     int 10h

                                     popf
                                     pop dx
                                     pop cx
                                     pop bx
                                     pop ax
                                     ret
scroll_up endp

Функция прокрутки экрана BIOS требует, во-первых, цветовую схему, которой будут заполнены очищенные строки, а во-вторых, координаты верхнего левого и правого нижнего углов сдвигаемой области. Цветовая схема передаётся в регистре BH и состоит из цвета фона и цвета символа. Мы ещё не объявляли константы, давайте посмотрим, как это делается. Константы в отличие от подключаемых файлов можно объявлять где угодно, так как они нужны только на этапе компиляции и не попадают в исполняемый файл. В TASM для объявления констант используется инструкция equ. Вся конструкция выглядит так: ИМЯ КОНСТАНТЫ equ ЗНАЧЕНИЕ КОНСТАНТЫ. Так как в стандартной палитре третьего режима всего 16 цветов, уместно будет определить их в виде констант. Добавьте в код такую запись:

;Цвета фона.BC_BLACK               equ byte ptr 00h
BC_BLUE                 equ byte ptr 10h
BC_GREEN              equ byte ptr 20h
BC_CYAN                 equ byte ptr 30h
BC_RED                   equ byte ptr 40h
BC_MAGENTA          equ byte ptr 50h
BC_BROWN             equ byte ptr 60h
BC_LIGHTGRAY      equ byte ptr 70h

;Цвета символа.
SC_BLACK               equ byte ptr 00h
SC_BLUE                 equ byte ptr 01h
SC_GREEN              equ byte ptr 02h
SC_CYAN                 equ byte ptr 03h
SC_RED                   equ byte ptr 04h
SC_MAGENTA         equ byte ptr 05h
SC_BROWN             equ byte ptr 06h
SC_LIGHTGRAY      equ byte ptr 07h
SC_DARKGRAY       equ byte ptr 08h
SC_LIGHTBLUE       equ byte ptr 09h
SC_LIGHTGREEN   equ byte ptr 0Ah
SC_LIGHTCYAN      equ byte ptr 0Bh
SC_LIGHTRED        equ byte ptr 0Ch
SC_LIGHTMAGENTA equ byte ptr 0Dh
SC_LIGHTBROWN  equ byte ptr 0Eh
SC_WHITE               equ byte ptr 0Fh

;Несколько готовых цветовых схем.
CS_DEFAULT           equ BC_BLACK or SC_CYAN
CS_CLASSIC           equ BC_BLACK or SC_LIGHTGRAY
CS_DARK                 equ BC_BLACK or SC_DARKGRAY
CS_BLUE                 equ BC_BLUE or SC_LIGHTBLUE
CS_ALARM              equ BC_BLACK or SC_RED
CS_DEBUG              equ BC_BLUE or SC_WHITE
CS_INVERT             equ BC_LIGHTGRAY or SC_BLACK
CS_PANIC                equ BC_RED or SC_BLACK

Как видите, для передачи цвета фона/символа используется один байт. Нижние 4 бита отвечают за цвет символа, верхние - за цвет фона и некоторые другие эффекты (подчёркивание, мигание), которые нам сейчас не нужны. Теперь разберёмся с рабочей областью. Мы хотим сдвинуть вверх весь экран, поэтому верхняя левая точка будет в (0,0), а правая нижняя - в (число символов по X-1,число символов по Y-1). Первая передается в CX, вторая - в DX. Таким образом, код процедуры расшифровывается так:

AH=номер функции (6)BH=цветовая схема
CX=верхний левый угол рабочей области (0,0)
DX=правый нижний угол
Вызвать прерывание 10h

Процедура принимает число строк, на которое нужно прокрутить экран вверх, в AL. Добавьте после jc panic такой код:

                           call get_cursor_pos                           mov al,01h
                           call scroll_up

Последнее, что мы рассмотрим сегодня - вывод строки. Это функция 19 прерывания 10h. В качестве параметров она требует: сегмент и смещение строки в ES:BP; цветовую схему в BL; активную страницу видеопамяти в BH; позицию начала вывода по X в DL; позицию начала вывода по Y в DH; длину строки в CX; режим вывода в AL. Номер функции как всегда передаётся в AH.

str_title          dw 31                                                     ;Длина строки.                      db '=== Tardigrada Loader v.1.1 ==='    ;Строка.

Теперь давайте напишем саму процедуру в io.inc.

print_string proc                                   push ax
                                   push bx
                                   push cx
                                   push dx
                                   push bp
                                   push es
                                   pushf

                                   mov ax,0050h
                                   mov es,ax
                                   mov ax,1300h
                                   mov bh,byte ptr vpage
                                   mov cx,es:[bp]
                                   mov dh,byte ptr cursor_Y
                                   mov dl,byte ptr cursor_X
                                   add bp,0002h
                                   int 10h

                                   popf
                                   pop es
                                   pop bp
                                   pop dx
                                   pop cx
                                   pop bx
                                   pop ax
                                   ret
print_string endp

Наша процедура будет принимать два параметра: смещение строки в BP и цветовую схему в BL. Практически весь код - это заполнение регистров для вызова прерывания. В основном модуле после call scroll_up добавим:

                                   mov bl,CS_DEFAULT                                   mov bp,offset str_title
                                   call print_string
                                   mov al,01h
                                   call scroll_up

Этот код выведет заголовок и прокрутит экран ещё на одну строку вверх. Если всё сделано правильно, должно получиться что-то вроде этого:

Чистая дискета: https://drive.google.com/file/d/1Bold4ds8oEruHQ7fJZKHglVo7A2Vc5MR/view?usp=sharing

Исходники: https://drive.google.com/file/d/144cHXVlBskSiKt9zTAR1V535UQCeUyBL/view?usp=sharing

Bochs: https://drive.google.com/file/d/16k2Gpr7oPSekq4rAhmtBV0IPnIteDLlE/view?usp=sharing