【读书笔记-《30天自制操作系统》-27】Day28

server/2024/10/18 19:34:40/

本篇的内容不少，主要围绕着文件操作与文字显示展开。
在这里插入图片描述

1. alloca函数

在开发文件操作与文字显示之前，需要先做一些准备，引入alloca函数。首先看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include "apilib.h"#define MAX		1000void HariMain(void)
{char flag[MAX], s[8];int i, j;for (i = 0; i < MAX; i++) {flag[i] = 0;}for (i = 2; i < MAX; i++) {if (flag[i] == 0) {/* 没有标记的为质数 */sprintf(s, "%d ", i);api_putstr0(s);for (j = i * 2; j < MAX; j += i) {flag[j] = 1;	/* 给它的倍数做上标记 */}}}api_end();
}

运行该程序，可以展示1000以内的质数。
在这里插入图片描述
接下来将MAX修改为10000，使程序能够展示1-10000以内的质数。由于flags[10000]需要大概10k的空间，因此在Makefile中需要将栈的大小指定为11k。

但是在编译过程中，会出现一条告警“Warning: can’t link __alloca”。忽略告警，运行程序也会出现问题。

这与使用的C语言编译有关。编译器规定，如果栈中的变量超过4KB，则需要调用__alloca函数，该函数的作用是根据操作系统的规格来获取栈中的空间。对于Windows和Linux系统，如果不调用__alloca函数，会无法正常获取内存空间。虽然本操作系统不存在这个问题，但是为了适应编译器，我们也需要编写一个__alloca函数，只对ESP进行减法运算，而不进行其他操作。

不过其实我们也可以换一种方式，通过malloc获取所需要的内存：

#include <stdio.h>
#include "apilib.h"#define MAX		10000void HariMain(void)
{char *flag, s[8];int i, j;api_initmalloc();flag = api_malloc(MAX);for (i = 0; i < MAX; i++) {flag[i] = 0;}for (i = 2; i < MAX; i++) {if (flag[i] == 0) {sprintf(s, "%d ", i);api_putstr0(s);for (j = i * 2; j < MAX; j += i) {flag[j] = 1;	}}}api_end();
}

这样就可以避开栈空间的问题了。但是栈空间的问题还是需要解决。

alloca函数的代码如下：

[FORMAT "WCOFF"]
[INSTRSET "i486p"]
[BITS 32]
[FILE "alloca.nas"]GLOBAL	__alloca[SECTION .text]__alloca:ADD		EAX,-4SUB		ESP,EAXJMP		DWORD [ESP+EAX]		; 代替RET

__alloca函数会在以下情况中被C语言程序调用：

  • 要执行的操作从栈中分配EAX个字节的内存地址(ESP -= EAX)
  • 不能改变ECX，EDX，EBX，EBP，ESI，EDI的值(可以临时改变，但需要通过PUSH/POP恢复)

据此，我们来看alloca函数的代码是怎么来的。

首先会想到如下的代码：

SUB		ESP,EAX
RET

但这样不行，因为RET的返回地址保存在ESP中，而我们又对ESP进行了操作，导致通过RET无法正确返回。

于是改进为如下的代码：

SUB		ESP,EAX
JMP		DWORD [ESP + EAX]

这里通过JMP来代替RET指令，但还是有问题。

RET指令相当于POP EIP指令，而POP EIP指令又相当于如下的两条指令：

MOV		EIP, [ESP]
ADD		ESP, 4

除了ESP-EAX外，由于POP EIP操作，ESP的值又增加了4，因此还需要将这一点纳入考虑。最终修改成以下的程序：

SUB		ESP, EAX
ADD		ESP, 4
JMP		DWORD [ESP + EAX -4]

这样就既保证了ESP寄存器值得正确，又使程序能够正确返回。

在C语言中，在函数外部声明得变量和带static的变量一样，都会被解释为DB和RESB，而在函数内部不带static声明的变量则会从栈中分配空间。因此将变量设置在函数内部，可以减少编译出来的应用程序的大小。

2. 文件操作API

完成了上面的准备工作，接下来就来完成文件操作API的开发。

所谓文件操作API，就是指定文件并能自由读写文件内容的API。一般的操作系统中，输入输出文件的API基本具有以下几种功能：

  • 打开…………open
  • 定位…………seek
  • 读取…………read
  • 写入…………write
  • 关闭…………close

当前操作系统还不能实现写入文件，因此先完成其他四种操作的API设计：

(1) 打开文件

  • EDX = 21
  • EBX = 文件名
  • EAX = 文件句柄(为0时表示打开失败，由操作系统返回)

(2) 关闭文件

  • EDX = 22
  • EAX = 文件句柄

(3) 文件定位

  • EDX = 23
  • EAX = 文件句柄
  • ECX = 定位模式 0：定位的起点为文件开头 1： 定位的起点为当前的访问位置 2：定位的起点为文件末尾
  • EDX = 定位偏移量

(4) 获取文件大小

  • EDX = 24
  • EAX = 文件句柄
  • ECX = 文件大小获取模式 0：普通文件大小 1：当前读取位置从文件开头起算的偏移量 2：当前读取位置从文件末尾起算的偏移量
  • EAX= 文件大小(由操作系统返回)

(5) 文件读取

  • EDX = 25
  • EAX = 文件句柄
  • EBX = 缓冲区地址
  • ECX = 最大读取字节数
  • EAX = 本次读取到的字节数(由操作系统返回)

接下来来编程实现这些API。首先修改TASK结构体，在其中增加文件句柄

struct FILEHANDLE {char *buf;int size;int pos;
};struct TASK {int sel, flags; /* selはGDTの番号のこと */int level, priority;struct FIFO32 fifo;struct TSS32 tss;struct SEGMENT_DESCRIPTOR ldt[2];struct CONSOLE *cons;int ds_base, cons_stack;struct FILEHANDLE *fhandle;int *fat;
};

在console_task与cmd_app中需要相应地增加对文件的操作：

void console_task(struct SHEET *sheet, int memtotal)
{……struct FILEHANDLE fhandle[8];……for (i = 0; i < 8; i++) {fhandle[i].buf = 0;	/* 未使用标记 */}task->fhandle = fhandle;task->fat = fat;……
}int cmd_app(struct CONSOLE *cons, int *fat, char *cmdline)
{……if (finfo != 0) {/* 找到文件的情况 */……if (finfo->size >= 36 && strncmp(p + 4, "Hari", 4) == 0 && *p == 0x00) {……start_app(0x1b, 0 * 8 + 4, esp, 1 * 8 + 4, &(task->tss.esp0));……for (i = 0; i < 8; i++) {	/* 将未关闭的文件关闭 */if (task->fhandle[i].buf != 0) {memman_free_4k(memman, (int) task->fhandle[i].buf, task->fhandle[i].size);task->fhandle[i].buf = 0;}}timer_cancelall(&task->fifo);memman_free_4k(memman, (int) q, segsiz);} else {cons_putstr0(cons, ".hrb file format error.\n");}memman_free_4k(memman, (int) p, finfo->size);cons_newline(cons);return 1;}return 0;
}

在hrb_api中增加对于这些api的处理：

int *hrb_api(int edi, int esi, int ebp, int esp, int ebx, int edx, int ecx, int eax)
{struct FILEINFO *finfo;struct FILEHANDLE *fh;struct MEMMAN *memman = (struct MEMMAN *) MEMMAN_ADDR;…………} else if (edx == 21) {for (i = 0; i < 8; i++) {if (task->fhandle[i].buf == 0) {break;}}fh = &task->fhandle[i];reg[7] = 0;if (i < 8) {finfo = file_search((char *) ebx + ds_base,(struct FILEINFO *) (ADR_DISKIMG + 0x002600), 224);if (finfo != 0) {reg[7] = (int) fh;fh->buf = (char *) memman_alloc_4k(memman, finfo->size);fh->size = finfo->size;fh->pos = 0;file_loadfile(finfo->clustno, finfo->size, fh->buf, task->fat, (char *) (ADR_DISKIMG + 0x003e00));}}} else if (edx == 22) {fh = (struct FILEHANDLE *) eax;memman_free_4k(memman, (int) fh->buf, fh->size);fh->buf = 0;} else if (edx == 23) {fh = (struct FILEHANDLE *) eax;if (ecx == 0) {fh->pos = ebx;} else if (ecx == 1) {fh->pos += ebx;} else if (ecx == 2) {fh->pos = fh->size + ebx;}if (fh->pos < 0) {fh->pos = 0;}if (fh->pos > fh->size) {fh->pos = fh->size;}} else if (edx == 24) {fh = (struct FILEHANDLE *) eax;if (ecx == 0) {reg[7] = fh->size;} else if (ecx == 1) {reg[7] = fh->pos;} else if (ecx == 2) {reg[7] = fh->pos - fh->size;}} else if (edx == 25) {fh = (struct FILEHANDLE *) eax;for (i = 0; i < ecx; i++) {if (fh->pos == fh->size) {break;}*((char *) ebx + ds_base + i) = fh->buf[fh->pos];fh->pos++;}reg[7] = i;}return 0;
}

增加汇编语言中的api函数：

_api_fopen:			; int api_fopen(char *fname);PUSH	EBXMOV		EDX,21MOV		EBX,[ESP+8]			; fnameINT		0x40POP		EBXRET_api_fclose:		; void api_fclose(int fhandle);MOV		EDX,22MOV		EAX,[ESP+4]			; fhandleINT		0x40RET
_api_fseek:			; void api_fseek(int fhandle, int offset, int mode);PUSH	EBXMOV		EDX,23MOV		EAX,[ESP+8]			; fhandleMOV		ECX,[ESP+16]		; modeMOV		EBX,[ESP+12]		; offsetINT		0x40POP		EBXRET_api_fsize:			; int api_fsize(int fhandle, int mode);MOV		EDX,24MOV		EAX,[ESP+4]			; fhandleMOV		ECX,[ESP+8]			; modeINT		0x40RET_api_fread:			; int api_fread(char *buf, int maxsize, int fhandle);PUSH	EBXMOV		EDX,25MOV		EAX,[ESP+16]		; fhandleMOV		ECX,[ESP+12]		; maxsizeMOV		EBX,[ESP+8]			; bufINT		0x40POP		EBXRET

代码内容比较简单，与上文的设计相符合。

最后再编写一个用于测试的应用程序，该程序实现的功能是将ipl10.nas的内容展示出来：

#include "apilib.h"void HariMain(void)
{int fh;char c;fh = api_fopen("ipl10.nas");if (fh != 0) {for (;;) {if (api_fread(&c, 1, fh) == 0) {break;}api_putchar(c);}}api_end();
}

应用程序命名为typeipl，运行该应用程序，结果如下：
在这里插入图片描述
该应用程序看起来还是比较好用的，接下来用它来替换掉之前命令行中的type命令。当前的应用程序只能用来显示ipl10.nas的内容，要使其能够显示任意的文件，还需要运行时获取文件名，这个功能称为获取命令行。下面通过编写一个API来实现。将该API编写为可以返回完整的命令行内容，即包含应用程序的内容和文件名的完整内容。

获取命令行

  • EDX = 26
  • EBX = 存放命令行内容的地址
  • ECX = 最多可存放多少字节
  • EAX = 实际存放了多少字节(由操作系统返回)

对程序做一些修改：

struct TASK {int sel, flags; int level, priority;struct FIFO32 fifo;struct TSS32 tss;struct SEGMENT_DESCRIPTOR ldt[2];struct CONSOLE *cons;int ds_base, cons_stack;struct FILEHANDLE *fhandle;int *fat;char *cmdline;// 增加获取的命令行
};void console_task(struct SHEET *sheet, int memtotal)
{……task->cons = &cons;task->cmdline = cmdline; // 初始化……
}int *hrb_api(int edi, int esi, int ebp, int esp, int ebx, int edx, int ecx, int eax)
{…………} else if (edx == 26) {i = 0;for (;;) {*((char *) ebx + ds_base + i) =  task->cmdline[i];if (task->cmdline[i] == 0) {break;}if (i >= ecx) {break;}i++;}reg[7] = i;}return 0;
}

添加汇编语言API:

_api_cmdline:		; int api_cmdline(char *buf, int maxsize);PUSH	EBXMOV		EDX,26MOV		ECX,[ESP+12]		; maxsizeMOV		EBX,[ESP+8]			; bufINT		0x40POP		EBXRET

最后是编写应用程序，命名为type.c：

#include "apilib.h"void HariMain(void)
{int fh;char c, cmdline[30], *p;api_cmdline(cmdline, 30);for (p = cmdline; *p > ' '; p++) { }	/* 跳过之前的内容，直到遇见空格 */for (; *p == ' '; p++) { }	/* 跳过空格 */fh = api_fopen(p);if (fh != 0) {for (;;) {if (api_fread(&c, 1, fh) == 0) {break;}api_putchar(c);}} else {api_putstr0("File not found.\n");}api_end();
}

前面在实现type命令时，程序代码中直接跳过了5个字符(“type” + 空格)，来读取后面的文件名。而这里修改为从空格跳过，这样读取到的命令行中即使命令的长度不同，如“cat”,“type”等，也能准确地分离出后面的文件名了。

运行命令type ipl10.nas，运行结果与上面相同：
在这里插入图片描述

3. 日文文字显示

作者主要面对的是日本读者，因此这里引入的是日文文字显示。但一方面这部分功能可谓牵一发动全身，另一方面日文显示中也有很多汉字，因此这里译者保留了原书日文显示的内容，并补充了一些中文显示的内容。

其实归根结底，显示日文和显示中文都一样，只是要准备好相应的字库就可以了。如果将字库文件内置到操作系统核心中，会导致操作系统很大，更换字体时还需要重新make。因此这里单独生成一个字库文件nihongo.fnt，在操作系统启动时检查到存在该文件，则自动将其读入内存。

日文的字符是采用全角模式显示的，一个全角字符为16 x 16点阵，需要32字节存储。根据JIS的汉字编码表，将所有的汉字都加入到字库中，共需要276KB的容量，这个容量对于本操作系统来说过大了，在启动时会变得很慢。因此这里选取了部分常用的汉字来生成简化版的字库。最终nihongo.fnt的内容如下：

  • 000000 - 000FFF: 显示日文用半角字模，共256个字符(4096字节)
  • 001000 - 02383F: 显示日文用全角字模，共4418个字符(141376字节)

接下来修改主程序，增加自动装载字库的功能：

	/* 载入nihongo.fnt */nihongo = (unsigned char *) memman_alloc_4k(memman, 16 * 256 + 32 * 94 * 47);fat = (int *) memman_alloc_4k(memman, 4 * 2880);file_readfat(fat, (unsigned char *) (ADR_DISKIMG + 0x000200));finfo = file_search("nihongo.fnt", (struct FILEINFO *) (ADR_DISKIMG + 0x002600), 224);if (finfo != 0) {file_loadfile(finfo->clustno, finfo->size, nihongo, fat, (char *) (ADR_DISKIMG + 0x003e00));} else {for (i = 0; i < 16 * 256; i++) {nihongo[i] = hankaku[i]; /* 未找到字库时，半角部分直接复制英文字库 */}for (i = 16 * 256; i < 16 * 256 + 32 * 94 * 47; i++) {nihongo[i] = 0xff; /* 未找到字库，全角部分以0xff填充 */}}*((int *) 0x0fe8) = (int) nihongo;memman_free_4k(memman, (int) fat, 4 * 2880);

实现用日文字库来显示字符，首先在struct TASK中添加了一个langmode变量，用于指定一个任务使用内置的英文字库还是使用nihongo.fnt的日文字库。在字符显示时，根据langmode进行不同的处理。

void putfonts8_asc(char *vram, int xsize, int x, int y, char c, unsigned char *s)
{extern char hankaku[4096];struct TASK *task = task_now();char *nihongo = (char *) *((int *) 0x0fe8);if (task->langmode == 0) {for (; *s != 0x00; s++) {putfont8(vram, xsize, x, y, c, hankaku + *s * 16);x += 8;}}if (task->langmode == 1) {for (; *s != 0x00; s++) {putfont8(vram, xsize, x, y, c, nihongo + *s * 16);x += 8;}}return;
}

此外我们还需要一个命令来对langmode的值进行设置：

void cons_runcmd(char *cmdline, struct CONSOLE *cons, int *fat, int memtotal)
{……} else if (strncmp(cmdline, "langmode ", 9) == 0) {cmd_langmode(cons, cmdline);} else if (cmdline[0] != 0) {……
}void cmd_langmode(struct CONSOLE *cons, char *cmdline)
{struct TASK *task = task_now();unsigned char mode = cmdline[9] - '0';if (mode <= 1) {task->langmode = mode;} else {cons_putstr0(cons, "mode number error.\n");}cons_newline(cons);return;
}

这样输入langmode 0就设置为英文模式，langmode 1就设置为日文模式。

接下来显示全角字符。根据JIS规格，全角字符的编码以"点，区，面"为单位来进行定义：

  • 1个点对应1个全角字符
  • 1个区中包含94个点
  • 1个面中包含94个区

这是用来确定字符在字库中的位置的。比如对于字符0x82, 0xa0，根据表可知该字符位于04区02点，根据这个编号，就可以计算得到字模的内存地址用于显示。

void putfonts8_asc(char *vram, int xsize, int x, int y, char c, unsigned char *s)
{extern char hankaku[4096];struct TASK *task = task_now();char *nihongo = (char *) *((int *) 0x0fe8), *font;int k, t;if (task->langmode == 0) {for (; *s != 0x00; s++) {putfont8(vram, xsize, x, y, c, hankaku + *s * 16);x += 8;}}if (task->langmode == 1) {for (; *s != 0x00; s++) {if (task->langbyte1 == 0) {if ((0x81 <= *s && *s <= 0x9f) || (0xe0 <= *s && *s <= 0xfc)) {task->langbyte1 = *s;} else {putfont8(vram, xsize, x, y, c, nihongo + *s * 16);}} else {if (0x81 <= task->langbyte1 && task->langbyte1 <= 0x9f) {k = (task->langbyte1 - 0x81) * 2;} else {k = (task->langbyte1 - 0xe0) * 2 + 62;}if (0x40 <= *s && *s <= 0x7e) {t = *s - 0x40;} else if (0x80 <= *s && *s <= 0x9e) {t = *s - 0x80 + 63;} else {t = *s - 0x9f;k++;}task->langbyte1 = 0;font = nihongo + 256 * 16 + (k * 94 + t) * 32;putfont8(vram, xsize, x - 8, y, c, font     );	/* 左半部分 */putfont8(vram, xsize, x    , y, c, font + 16);	/* 右半部分 */}x += 8;}}return;
}

putfonts8_asc函数中，每接受到一个字节就会执行一次x += 8，当显示全角字符时，需要在接收到第2个字节之后，再往左回移8个像素并绘制字模的左半部分。

对于换行，当字符串很长时，可能在全角字符的第1个字节处就需要自动换行，这样接收到第2个字节时，字模的左半部分就会画到命令行窗口外面去。所以在遇到第1个字节换行时，将cur_x再右移8个像素。

void cons_newline(struct CONSOLE *cons)
{int x, y;struct SHEET *sheet = cons->sht;struct TASK *task = task_now();if (cons->cur_y < 28 + 112) {cons->cur_y += 16;} else {if (sheet != 0) {for (y = 28; y < 28 + 112; y++) {for (x = 8; x < 8 + 240; x++) {sheet->buf[x + y * sheet->bxsize] = sheet->buf[x + (y + 16) * sheet->bxsize];}}for (y = 28 + 112; y < 28 + 128; y++) {for (x = 8; x < 8 + 240; x++) {sheet->buf[x + y * sheet->bxsize] = COL8_000000;}}sheet_refresh(sheet, 8, 28, 8 + 240, 28 + 128);}}cons->cur_x = 8;if (task->langmode == 1 && task->langbyte1 != 0) {cons->cur_x = 16;}return;
}

运行程序，显示结果：
在这里插入图片描述

对于显示中文汉字，可以对以上nihongo.fnt做如下的修改：

  • 000000 - 000FFF: 英文半角字模，共256个字符(4096字节)，来自系统内置字库数据
  • 001000 - 02963F: 中文全角字模，共5170个字符(165440字节)，来自HZK16或其他符合GB2312标准的汉字点阵字库

测试中文显示，可以用记事本等文本编辑器编写一个包含中文的文本文件，然后用GB2312编码进行保存。将文本文件装入磁盘映像，用type命令就可以显示出来了。


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