上次讲到了引用C语言开发的原因以及如何使用C语言与之前的汇编头结合，这次，正式开始C语言的开发。
由于我们已经指定了C语言编写的入口函数为OSMain()，那么，就从这个函数开始写吧。既然要写一个函数，我们首先得确定这个函数的参数和返回值类型。如何确定呢？那得看谁会来调用这个函数，又想从这个函数里获得点什么。由于我们是将编译好的这个程序和之前写的汇编头相拼接的，那么，调用这个函数的一定就是我们之前写的汇编指令了，更准确的来说，是一条JMP语句。但是，汇编语言之间的函数参数传递都是通过寄存器来实现的，因为对于汇编语言来说，不存在什么局部变量，所有的程序公用寄存器和内存，所有，它们之间可以随意使用，自然就可以很顺畅的传递参数。但是这一点在C语言不可以，由于C语言在编译时会给内存来划分相对应的堆区栈区，函数之间的数据传递一定要通过接口，这里的接口就体现为参数和返回值。我们在写一个纯C程序时不必考虑这些问题，因为只要提供好接口，并且合适地调用就万事大吉了，至于接口处数据如何传递，这是编译器的事。但是现在不行，现在我们的C函数是要用汇编语言来调用的，我们就必须明白这些参数到底是存放在了哪里。
我们可以写一段简单的C程序，通过反汇编来查看里面的数据传递逻辑。通过研究我们可以知道，C语言会在函数调用的时候，将函数指针传入esp寄存器中，而在实际内存中，函数指针的后面紧跟着的就是参数的指针，由于我们在32位环境下编写代码，所有的指针都应该是32位的，也就是4字节，所以，esp+4, esp+8……就分别是第一个，第二个……参数的指针。写过变参函数的程序员都知道，变参函数中函数参数的类型是未知的，个数也是无限制的，之所以会这样就是由于C语言函数将参数依次放在了内存中，当你写一个普通函数的时候，我们通过函数指针类型可以知道这个范围到哪里，所以不允许参数越界（这完全是编译器的限制），但是当你写一个变参函数的时候，这个限制就被放开，自然也就无法确定参数个数了。那么，函数的返回值会放在哪里呢？会放在EAX中（当然，这会根据你实际声明的变量类型来决定究竟是读取EAX还是AX还是AL）。所以总结一下就是，当我们在C语言中调用一个函数表达式时，编译器要做的事情是这样的，首先，根据函数指针找到函数对应的内存位置，并且把这个地址放到esp中，其次，以esp为基址依次向后读取参数，然后执行函数主体，最后会读取EAX中的值作为函数返回值，替换函数调用在C语言表达式中的位置。这就是为什么如果你声明了函数返回值，但是在函数中没有写return语句，它就会返回一个任意值的原因，因为EAX中的值是随机的。了解了这个以后再来考虑，OSMain函数的参数和返回值问题。我们在调用这个函数的时候，将需要的信息都保存在了内存的固定位置，因此只要知道这些位置就好，暂时还不需要通过参数传递（当然，有序组织起来直接传参不妨视为一个更好的方式，目前暂时搁置，以后在优化代码的时候会重新考虑），而至于返回值，好的习惯是，在C语言主体程序结束后，给寄存器里留下一个返回值，用于表示程序是否正常运行，如果非正常退出，可以给出错误码，我们在之后还可以去进行相关处理。暂时还不需要特别关注这个错误码，先留出一个接口就好，因此决定，OSMain函数是一个int返回值的无参数函数，并且设定正常退出的返回值为0，这样，程序框架就出来了，是我们非常熟悉的形式。
int OSMain() {
return 0;
}接下来的任务就是在屏幕上显示出内容来了。我们知道在进入OSMain函数之前，我们就已经开启了VGA彩色显示模式，这是一个320×200分辨率的256色。换句话说，我们的屏幕上现在有640,000个像素点，每个像素点你可以在256种颜色中选择一种来填充，由此来绘制我们的界面。在VGA模式下，显卡支持RGB配色，红、绿、蓝三种颜色的配比各有256个等级，通常情况下我们用两位十六进制表示一个颜色分量的比例。例如纯白色就表示为#FFFFFF，纯黄色就表示为#00FFFF。但是这样的话我们来算一下，所有能够显示得颜色应该有256×256×256=16,777,216种颜色，这显然已经远远超出了256种颜色，因此，我们就需要从这一千六百多万种颜色里选出256种颜色作为我们要使用的颜色。这256种颜色慢慢选，慢慢试，机械性的选美工作就让大家萝卜青菜了。这里为了把操作系统界面差不多显示出来，就只选择了16种颜色，我们先来做一个16色的操作系统，至于其他颜色，以后慢慢加就好了。
所以，我们选择了16种配色，写出了以下basicDisplay.h文件：
#ifndef basicDisplay_h
#define basicDisplay_h
#include "asmfunc.h"
#include "global.h"
#define PORTID_PALETTE ((void *)0x03c8)
#define PORTID_RGB ((void *)0x03c9)
#define VGA_MEM_END ((void *)0xafa00)
typedef struct {
unsigned char red, green, blue;
} colorRGB;
colorRGB colorRGBMake(const char r, const char g, const char b);
#define COLOR_RGB(rgb) (colorRGBMake(rgb))
#define BLACK 0x00, 0x00, 0x00
#define RED 0xff, 0x00, 0x00
#define GREEN 0x00, 0xff, 0x00
#define YELLOW 0xff, 0xff, 0x00
#define BLUE 0x00, 0x00, 0xff
#define PERPLE 0xff, 0x00, 0xff
#define CYAN 0x00, 0xff, 0xff
#define WHITE 0xff, 0xff, 0xff
#define GRAY 0xc6, 0xc6, 0xc6
#define DARK_RED 0x85, 0x00, 0x00
#define DARK_GREEN 0x00, 0x85, 0x00
#define DARK_YELLOW 0x85, 0x85, 0x00
#define DARK_BLUE 0x00, 0x00, 0x85
#define DARK_PERPLE 0x85, 0x00, 0x85
#define DARK_CYAN 0x00, 0x85, 0x85
#define DARK_GREY 0x85, 0x85, 0x85
enum {
id_black = 0,
id_red = 1,
id_green = 2,
id_yellow = 3,
id_blue = 4,
id_perple = 5,
id_cyan = 6,
id_white = 7,
id_gray = 8,
id_darkRed = 9,
id_darkGreen = 10,
id_darkYellow = 11,
id_darkBlue = 12,
id_darkPerple = 13,
id_darkCyan = 14,
id_darkGray = 15
};
void setPalette();
#endif
解释一下这个代码，4-8行暂时略过，一会会解释。第9行这里定义了一个指针常量，指向显存。在CPU的寻址空间中（目前是32位字长4GB寻址空间），绝大部分由内存条提供，但是还有一部分是由显卡来提供的，这部分RAM的作用就是用于存储关于显示的数据，就叫做显存。如果你使用独立显卡，那这部分存储空间就在你的显卡上，这时对于CPU来说，虽然你有内存和显存这两个物理起见，但由于它们都被接在了CPU的直接寻址线上，因此对于CPU来说它们是一样的。（这里我们考虑的是两种物理设备的情况，而在真实的计算机设备上，通常不只这两种，CPU还会将一根寻址线接到硬盘，通过虚拟内存技术将外存的一部分作为内存来使用，从而提升内存空间，缓解内存压力）这也就是当年量产了4GB内存条以后，大家都吵着浪费内存空间的原因，因为CPU要去访问显存，自然就要有一部分内存永远无法被访问到了，大致上只能用到3.2GB-3.6GB左右。而如果你使用的是集成显卡，那么显存就得让内存来充当了，这时候虽然你可以访问4GB的内存空间，但是你就必须划分出来一部分内存空间来作为显存使用。但是无论你使用哪种具体的物理设备作为显存，它都在CPU的寻址空间中，因此我们在编写程序的时候就不需要考虑这个问题了，我们只需要知道显存的地址是多少就可以了。在早期黑白显示的时候，对于屏幕上每一个像素只能有两种状态，亮或者灭，所以一个像素只需要一个二进制位的显存就可以了，这个时候一个地址的显存会对应屏幕上8个像素点的亮暗信息。（这里顺带一提，计算机刚加电的时候，屏幕会被初始化为80×25的文本模式，利用320KB的显存可以显示2000个字符。）不过我们由于进入了VGA模式，每一个像素点都需要表示一个8位色，所以，一个像素点就需要对应8位，也就是1字节的显存。那么我们有640,000个像素点，所以0xafa00-0xbf400的地址空间就是我们的显存了，在每一个像素里添一个颜色代号就可以显示对应的颜色了。
11-14行定义了RGB色结构体，并声明了与之配套的结构体构造函数。16-32行用于配合RGB构造函数，定义了16种颜色。34-51行分别定义了这些颜色的代号。53行定义的函数，接下来就要重点进行说明。下面给出basicDisplay.c的代码：
#include "basicDIsplay.h"
colorRGB colorRGBMake(const char r, const char g, const char b) {
colorRGB temp;
temp.red = r;
temp.green = g;
temp.blue = b;
return temp;
}
void setColor(const int colorId, const colorRGB color) {
outportB(PORTID_PALETTE, colorId);
outportB(PORTID_RGB, color.red / 4);
outportB(PORTID_RGB, color.green / 4);
outportB(PORTID_RGB, color.blue / 4);
}
void setPalette() {
int nEflags = loadEflags();
cleanInterrupt();
setColor(0, COLOR_RGB(BLACK));
setColor(1, COLOR_RGB(RED));
setColor(2, COLOR_RGB(GREEN));
setColor(3, COLOR_RGB(YELLOW));
setColor(4, COLOR_RGB(BLUE));
setColor(5, COLOR_RGB(PERPLE));
setColor(6, COLOR_RGB(CYAN));
setColor(7, COLOR_RGB(WHITE));
setColor(8, COLOR_RGB(GRAY));
setColor(9, COLOR_RGB(DARK_RED));
setColor(10, COLOR_RGB(DARK_GREEN));
setColor(11, COLOR_RGB(DARK_YELLOW));
setColor(12, COLOR_RGB(DARK_BLUE));
setColor(13, COLOR_RGB(DARK_PERPLE));
setColor(14, COLOR_RGB(DARK_CYAN));
setColor(15, COLOR_RGB(DARK_GREY));
storeEflags(nEflags);
setInterrupt();
}
3-9行用于创建结构体变量创建的构造函数，不再解释。重点解释11-16行的setColor()函数。我们刚才说到，需要在很多颜色中选出256中颜色，对于我们这里来说，就是要选出16中颜色，给它表上0-15号，这样，你给显存里存放0-15中的数字的时候，显卡就能知道到底把哪个颜色显示出去了。那如此说来，就应该有一个“东西”，能够让我们写一个表格（就有点类似于GDT和IDT那样），里面要放着色号和颜色的对应关系，我们把这个“东西”就叫做调色盘。那么究竟什么是调色盘，它其实是显卡上的一个部件，类似于寄存器又类似于内存，这么纠结是因为它的存储空间要比寄存器大得多，但是性质上来说又很像寄存器。具体的电子芯片结构的问题在这里就没有讨论的意义的，总之这是显卡中的一部分。那么既然它不再内存中，我们也就不能通过寻址的方式来访问里面的数据了，因为它并不在CPU的寻址空间当中。那么如何访问到它呢？CPU要想访问内存之外的东西，就必须通过I/O总线，这是CPU与外界输入输出设备连接的接口，在I/O总线上的每个设备都有一个自己的编号，CPU正是通过这个设备编号找到对应的设备的。setColor()函数的任务就是向调色盘对应的编号发送数据。向0x03c8发送数据表示将要设定的颜色编号，然后再向0x03c9发送三次数据来分辨表示R、G、B的分量。这样就设置好了一种颜色。为什么要除以4呢？这是因为，虽然RGB用了6位十六进制表示一个颜色，照理说应该能够表示16,777,216中颜色，但是其实VGA显卡还支持不了这么多中颜色，而是每种颜色分量只支持64种，也就是一共64×64×64=262,144种颜色，那么这与真正的RGB色号的对应关系是什么呢？就是每4个一跳，也就是说(0x00, 0x00, 0x00)表示#000000，(0x01, 0x01, 0x01)表示#040404, (0x02, 0x03, 0x40)表示#080CFF，以此类推，所以，我们把RGB的颜色分量除以4就可以得到实际的编码。21-36行就是通过调用16次setClolor()函数来完成16种颜色的编选。
接下来介绍刚才没有介绍到的代码，比如19，20，37，38行代码的含义以及outportB函数的由来。这些莫名其妙出现的函数是哪里来的呢？这里需要注意的是，由于我们在编写非常底层的操作系统代码，这是没有任何集成开发环境给我们使用的，更不会有什么函数库给我们用，所有的一切都是我们自己写上去的。所谓C语言编程，也不过是仅仅使用了C语言语法特性而已，那些我们所熟悉的标准C语言库是一概没有的，因为谁也不会知道我们即将开发出的操作系统是什么样的，自然也就不会有与之相匹配的库文件了。那么，这些函数并不是库函数，它一定是我们自己来实现的。outportB函数是想给I/O设备发送信息，这种功能C语言是做不到的，所以，得靠外部力量来实现。这个功能用汇编语言来写非常容易，一句OUT指令就可以搞定，所以，我们创建了asmfunc.asm文件，专门用于写C语言无法实现的函数的函数体。
[format "WCOFF"] ; 由于该文件编译后还需要链接，所以声明文件格式
[instrset "i486p"]
[bits 32] ; 生成32位模式机器码
[file "asmfunc.asm"] ; 文件名
global _halt ; 包含的函数
global _cleanInterrupt, _setInterrupt
global _inportB, _inportW, _inportD
global _outportB, _outportW, _outportD
global _loadEflags, _storeEflags
global _loadGDTR, _loadIDTR
global _preInterruptHandler21, _preInterruptHandler2c, _preInterruptHandler27
extern _interruptHandler21, _interruptHandler2c, _interruptHandler27
[section .text] ; 实际的函数
_halt:
hlt
ret
_cleanInterrupt:
cli
ret
_setInterrupt:
sti
ret
_inportB:
mov edx, [esp + 4]
mov eax, 0
in al, dx
ret
_inportW:
mov edx, [esp + 4]
mov eax, 0
in ax, dx
ret
_inportD:
mov edx, [esp + 4]
mov eax, 0
in eax, dx
ret
_outportB:
mov edx, [esp + 4]
mov al, [esp + 8]
out dx, al
ret
_outportW:
mov edx, [esp + 4]
mov ax, [esp + 8]
out dx, ax
ret
_outportD:
mov edx, [esp + 4]
mov eax, [esp + 8]
out dx, eax
ret
_loadEflags:
pushfd
pop eax
ret
_storeEflags:
mov eax, [esp + 4]
push eax
popfd
ret
_loadGDTR:
mov ax, [esp + 4]
mov [esp + 6], ax
lgdt [esp + 6]
; mov eax, [esp + 8]
; mov [esp + 6], eax
; lgdt [esp + 4]
ret
_loadIDTR:
mov ax, [esp + 4]
mov [esp + 6], ax
lidt [esp + 6]
ret
_preInterruptHandler21:
push es
push ds
pushad
mov eax, esp
push eax
mov ax, ss
mov ds, ax
mov es, ax
call _interruptHandler21
pop eax
popad
pop ds
pop es
iretd
_preInterruptHandler2c:
push es
push ds
pushad
mov eax, esp
push eax
mov ax, ss
mov ds, ax
mov es, ax
call _interruptHandler2c
pop eax
popad
pop ds
pop es
iretd
_preInterruptHandler27:
push es
push ds
pushad
mov eax, esp
push eax
mov ax, ss
mov ds, ax
mov es, ax
call _interruptHandler27
pop eax
popad
pop ds
pop es
iretd现在给出的这个文件里有很多函数是以后要用的，先给出，以后还会来讲解。这里主要讲解outportB函数。46行接收传来的第一个参数，放入edx中，显然这应该是32位的数据，47行接收传来的第二个参数，放入al中，显然这应该是一个8位的数据。在48行执行out指令，edx中的数据作为设备编号，al中的数据作为发送的数据。如此看来，给这个函数传递的参数，应该是一个指针（用于指向设备），还有一个数据（用于向设备发送），函数名中的B的意思就是发送的这个数据应该是一个字节的。由于最后没有向eax里保存什么数据，所以说明这个函数不需要返回值。那么我们由此就可以写出它在C语言中的函数声明：
void outportB(void *pPort, char data);这样就解释清楚了outportB()函数的来历。下面给出完整的asmfunc.h文件：
#ifndef asmfunc_h
#define asmfunc_h
void halt();
void cleanInterrupt();
void setInterrupt();
char inportB(void *pPort);
short inportW(void *pPort);
long inportD(void *pPort);
void outportB(void *pPort, char data);
void outportW(void *pPort, short data);
void outPortD(void *pPort, long data);
long loadEflags();
void storeEflags(long Eflag);
void loadGDTR(long limit, void *addr);
void loadIDTR(long limit, void *addr);
void preInterruptHandler21();
void preInterruptHandler2c();
void preInterruptHandler27();
#endif
这样我们也能参照看出loadEflags()，storeEflags(nEflags)，cleanInterrupt()和setInterrupt()函数的实现。这4个函数又是干什么的呢？之前介绍过CPU的中断机制，中断信号在什么时候发过来是不知道的，在接收到中断指令后CPU会停下手中的活转去执行中断，但是，就像之前进行模式转换时候那样，如果在某些重要步骤中发生了中断，是不能够直接去处理的，否则将会发生严重错误，我们把这样的操作叫做原子操作，意思就是这些操作不可分，你必须一次性处理完毕，不能因为中断就把它拆开处理。设定调色盘的过程也是原子操作，所以需要在之前关闭中断，之后再开启中断。cleanInterrupt()其实就是执行了CTI，setInterrupt()其实就是执行了STI，而另外那两个函数的目的就在于，关闭中断前保存一些数据，开启中断后再恢复，因为有些中断发出的数据会在原子操作中被改掉，等再去执行中断的时候就会发生错误，为了保险起见，我们把当前的状态先保存下来，等恢复中断以后再恢复它。
这样，我们只需要在OSMain()函数中调用initPalette()函数就可以完成调色盘的初始化，接下来的任务就是给显存里写东西了，但是如果你每一个像素点都专门写一遍的话，那真的就类似了，所以我们略微封装一下用于显示各种界面的函数，比如说最容易想到的就是画出一个矩形了。
要想画出一个矩形，我们应该了解矩形的位置以及大小。那么，既然我们的研究单位是屏幕上的每一个像素点，所以，我们这里的座标也好，长度也好，都是以像素为单位。下面给出用于绘制图形的代码draw.h：
#ifndef draw_h
#define draw_h
#include "basicDisplay.h"
#define SCR_CENTER (posMake(bootInfo -> scr_x / 2, bootInfo -> scr_y / 2))
typedef struct {
unsigned x, y;
} Position;
Position posMake(const unsigned x, const unsigned y);
typedef struct {
unsigned x, y, height, width;
} Rect;
Rect rectMake(const unsigned x, const unsigned y, const unsigned width, const unsigned height);
void drawRect(Rect rect, unsigned char colorId);
#endif两个结构体分别用于定义位置和矩形，当然有与之配套的结构体构造函数。而16行的函数用于绘制矩形，下面给出其实现文件draw.c:
#include "draw.h"
Position posMake(const unsigned x, const unsigned y) {
Position temp;
temp.x = x;
temp.y = y;
return temp;
}
Rect rectMake(const unsigned x, const unsigned y, const unsigned width, const unsigned height) {
Rect temp;
temp.x = x;
temp.y = y;
temp.height = height;
temp.width = width;
return temp;
}
void drawRect(Rect rect, unsigned char colorId) {
int x, y;
for (x = rect.x; x <= rect.x + rect.width; x++) {
for (y = rect.y; y < rect.y + rect.height; y++) {
int position = y * bootInfo -> scr_x + x;
*(unsigned char *)(bootInfo -> vga_mem_strat + position) = colorId;
}
}
}
两个结构体构造函数不再解释，62-71行的函数就是根据rect的信息，计算出需要更改的左边点，然后把与之对应的颜色信息写到相应的显存中，非常简单。有了这个工具以后，我们就可以绘制出一个差不多的图形了，下面是initDesktop.h
#ifndef initDesktop_h
#define initDesktop_h
#include "basicDisplay.h"
#include "draw.h"
void initDesktop();
#endif
一下是initDesktop.c:
#include "initDesktop.h"
void initDesktop() {
setPalette();
drawRect(rectMake(0, 0, bootInfo -> scr_x, bootInfo -> scr_y - 29), id_darkCyan);
drawRect(rectMake(0, bootInfo -> scr_y - 28, bootInfo -> scr_x, 1), id_gray);
drawRect(rectMake(0, bootInfo -> scr_y - 28, 1, 28), id_gray);
drawRect(rectMake(0, bootInfo -> scr_y - 1, bootInfo -> scr_x, 1), id_gray);
drawRect(rectMake(bootInfo -> scr_x - 2, bootInfo -> scr_y - 28, 1, 28), id_gray);
drawRect(rectMake(1, bootInfo -> scr_y - 27, bootInfo -> scr_x - 3, 26), id_darkGray);
}
其实就是绘制了一个看起来比较像桌面的界面而已，不再过多解释。最后再OSMain()里调用initDesktop()就大功告成。附上效果图：
