VESA编程
自从学习操作系统开发以来，所接触到的操作系统开发资料都是关于文本模式的。然而黑色的命令行始终没有色彩斑斓的图形界面吸引眼球，所以查阅了很多资料后终于找到了真正的图形界面实现方法——VESA。
先上图：
这是一个800X600分辨率32位色（实际上是一个24位色，最高字节没用）的demo，当然你也可以把分辨率设置成1024X768或者1280X1024。
什么是VBE？
VBE的全称是VESA BIOS Extension。
什么是VESA？
VESA的全称是Video Electronics Standards Association即视频电子标准协会，是由代表来自世界各地的、享有投票权利的超过165家成员公司的董事会领导的非盈利国际组织。
VESA致力于开发、制订和促进个人计算机（PC）、工作站以及消费类电子产品的视频接口标准，为显示及显示接口业界提供及时、开放的标准，保证其通用性并鼓励创新和市场发展。
VBE视频模式
先来看看VBE的模式号及其对应的分辨率与颜色：
VBE最高可以支持1280X1024的分辨率，24位真彩色，完全可以满足我们创建图形化操作系统的需求。
下面是一张视频标准图：
只可惜VBE的标准比较老，不支持宽屏显示器。
用到的VBE函数
要实现图形模式就要用到vbe函数，vbe函数标准定义了一系列VGA ROM BIOS服务扩展。这些vbe函数可以在实模式下通过10h中断调用或者直接通过高性能的32位程序和操作系统调用。
我们的demo是通过实模式下的int 10h中断来调用VBE函数的。我们将使用以下三个函数：
功能00h – 返回控制器信息
1输入：
2AX = 4F00h 返回VBE控制器信息
3ES:DI = 指向存放VbeInfoBlock结构体的缓冲区指针
4
5输出：
6AX = VBE返回状态
7
8备注： 其他的寄存器被保留。
这个函数返回一个VbeInfoBlock结构体，该结构体定义如下：
01// Vbe Info Block
02typedefstruct{
03 unsigned charvbe_signature;
04 unsigned shortvbe_version;
05 unsigned longoem_string_ptr;
06 unsigned charcapabilities;
07 unsigned longvideo_mode_ptr;
08 unsigned shorttotal_memory;
09 unsigned shortoem_software_rev;
10 unsigned longoem_vendor_name_ptr;
11 unsigned longoem_product_name_ptr;
12 unsigned longoem_product_rev_ptr;
13 unsigned charreserved[222];
14 unsigned charoem_data[256];
15} VbeInfoBlock;
我解释一下上面的结构体中比较重要的几个变量。
vbe_signature是VBE标识，应该填充的是”VESA”
vbe_version是VBE版本，如果是0300h则表示3.0版本
oem_string_ptr是指向oem字符串的指针，该指针是一个16位的selector:offset形式的指针，在实模式下可以直接使用。
video_mode_ptr是指向视频模式列表的指针，与oem_string_ptr类型一样
total_memory是64kb内存块的个数
oem_vendor_name_ptr是指向厂商名字符串的指针
oem_product_name_ptr是指向产品名字符串的指针
1输入：
2AX = 4F01h 返回VBE模式信息
3CX = 模式号
4ES:DI = 指向ModeInfoBlock结构体的指针
5
6输出：
7AX = VBE返回状态
8
9备注： 所有其他的寄存器保留。
这个函数返回一个ModeInfoBlock结构体，该结构体定义如下：
01// Vbe Mode Info Block
02typedefstruct{
03 // Mandatory information for all VBE revisions
04 unsigned shortmode_attributes;
05 unsigned charwina_attributes;
06 unsigned charwinb_attributes;
07 unsigned shortwin_granularity;
08 unsigned shortwin_size;
09 unsigned shortwina_segment;
10 unsigned shortwinb_segment;
11 unsigned longwin_func_ptr;
12 unsigned shortbytes_per_scan_line;
13
14 // Mandatory information for VBE 1.2 and above
15 unsigned shortxresolution;
16 unsigned shortyresolution;
17 unsigned charxchar_size;
18 unsigned charychar_size;
19 unsigned charnumber_of_planes;
20 unsigned charbits_per_pixel;
21 unsigned charnumber_of_banks;
22 unsigned charmemory_model;
23 unsigned charbank_size;
24 unsigned charnumber_of_image_pages;
25 unsigned charreserved1;
26
27 // Direct Color fields (required for direct/6 and YUV/7 memory models)
28 unsigned charred_mask_size;
29 unsigned charred_field_position;
30 unsigned chargreen_mask_size;
31 unsigned chargreen_field_position;
32 unsigned charblue_mask_size;
33 unsigned charblue_field_position;
34 unsigned charrsvd_mask_size;
35 unsigned charrsvd_field_positon;
36 unsigned chardirect_color_mode_info;
37
38 // Mandatory information for VBE 2.0 and above
39 unsigned longphys_base_ptr;
40 unsigned longreserved2;
41 unsigned shortreserved3;
42
43 // Mandatory information for VBE 3.0 and above
44 unsigned shortlin_bytes_per_scan_line;
45 unsigned charbnk_number_of_image_pages;
46 unsigned charlin_number_of_image_pages;
47 unsigned charlin_red_mask_size;
48 unsigned charlin_red_field_position;
49 unsigned charlin_green_mask_size;
50 unsigned charlin_green_field_position;
51 unsigned charlin_blue_mask_size;
52 unsigned charlin_blue_field_position;
53 unsigned charlin_rsvd_mask_size;
54 unsigned charlin_rsvd_field_position;
55 unsigned longmax_pixel_color;
56 unsigned charreserved4[189];
57
58} VbeModeInfoBlock;
解释一下几个我们要用到的比较重要的字段。
首先是mode_attributes字段，这个字段描述了图形模式的一些重要属性。其中最重要的是第4位和第7位。第4位为1表示图形模式(Graphics
mode)，为0表示文本模式(Text mode)。第7位为1表示线性帧缓冲模式(Linear frame buffer
mode)，为0表示非线性帧缓冲模式。我们主要要检查这两个位。
xresolution，表示该视频模式的X分辨率。
yresolution，表示该视频模式的Y分辨率。
bits_per_pixel，表示该视频模式每个像素所占的位数。
phys_base_ptr，这是一个非常重要的字段，它给出了平坦内存帧缓冲区的物理地址，你可以理解为显存的首地址。如果每个像素占32位的话，屏幕左上角第一个点所占的缓冲区就是phys_base_ptr所指的第一个4个字节。按照先行后列的顺序，每个像素点所占缓冲区依次紧密排列。我们要想在屏幕上画出像素点，就得操作以phys_base_ptr为起始的物理内存空间。
01输入：
02AX = 4F02h 设置VBE模式
03BX = 需要设置的模式
04 D0 - D8 = 模式号
05 D9 - D10 = 保留（必须为0）
06 D11 = 0 使用当前缺省刷新率
07 = 1 使用用户指定的CRTC值为刷新率
08 D12 - D13 = 为VBE/AF保留（必须为0）
09 D14 = 0 使用窗口帧缓冲区模式
10 = 1 使用线性/平坦帧缓冲区模式
11 D15 = 0 清除显示内存
12 = 1 不清除显示内存
13ES:DI = 指向CRTCInfoBlock结构体的指针
14
15输出：
16AX = VBE返回状态
17
18备注： 所有其他的寄存器保留
这个函数就是用来设置我们的视频模式，通过用功能01查找我们所需要模式，然后用功能02即可设置我们所需要的模式。
因为我们要操作显存，对于一个1280X1024 32bit的视频模式来说，需要用到5M的内存，而我们知道在实模式下我们只能用段：位移的方式访问1M的地址空间，而我们的显存是在这1M的地址空间之外，那么我们如何才能在实模式下访问32位的地址空间呢？
这里有一种方法，那就是进入Unreal模式，Unreal模式是实模式的一个变体，在这种模式下我们的代码还是16位的实模式方式，但是我们可以使用32位的代码段来访问32位地址空间，这样我们就可以向显存中写数据来画图了。
下面是我们代码中main函数的片段：
01;-------------------------------;
02; Install our GDT ;
03;-------------------------------;
04
05call InstallGDT ; install our GDT
06
07;-------------------------------;
08; Enable A20 ;
09;-------------------------------;
10
11call EnableA20_KKbrd_Out
12sti
13
14;-------------------------------;
15; Init Vesa ;
16;-------------------------------;
17call GetVbeInfo
18call SetVideoMode
19call EnterUnrealMode
20
21;-------------------------------;
22; Init video ;
23;-------------------------------;
24
25call VideoInit
在上面的代码中，我们要进入Unreal模式首先要调用InstallGDT来安装GDT，接着调用EnableA20_KKbrd_Out来打开A20地址总线，然后调用EnterUnrealMode来进入Unreal模式。
下面是EnterUnrealMode的代码：
01;=========================================
02; EnterUnrealMode
03; enter unreal mode
04;=========================================
05EnterUnrealMode:
06 cli
07 push ds
08
09 mov eax, cr0
10 or al, 1
11 mov cr0, eax
12
13 mov bx, 0x08
14 mov ds, bx
15
16 and al, 0xFE
17 mov cr0, eax
18
19 pop ds
20 sti
21 ret
在上面的代码中，我们先暂时进入保护模式，接着将ds设为0×08，0×08是所安装的GDT的代码段的选择子。接着我们又返回到实模式，这样，处理器会使用所缓存的描述符，就像在保护模式中那样，我们就可以在实模式下访问4GB的内存空间了。
在main函数中，我们调用GetVbeInfo来获取VBE控制器的信息，下面是这个函数的代码：
01;=============================================
02; GetVbeInfo
03; get veb controller information to vbe_info_block structure
04;=============================================
05GetVbeInfo:
06 pushad
07 mov ax, 4F00h ; Get VBE information
08 mov di, 0x7E00 ; Set param
09 int10h
10 ;call CheckVbeReturn ; Check returnvalue
11 ;call CheckVesaVersion ; Check vesa version
12 ;call ShowOEMString
13 call FindVideoMode ; Find Video Mode
14
15.end:
16 popad
17 ret
在这个函数中，我们会调用FindVideoMode函数来查找我们所需要的模式，并将其存放在VideoMode变量中。
下面是FindVideoMode函数的代码：
01;=============================================
02; FindVideoMode
03;=============================================
04FindVideoMode:
05 pushad
06 mov si, [0x7E00 + vbe_info_block.video_mode_ptr]
07
08.loop:
09 push ds
10 mov ax, [0x7E00 + vbe_info_block.video_mode_ptr + 2]
11 mov ds, ax
12 lodsw
13 pop ds
14 mov [VideoMode], ax
15 cmp ax, 0xFFFF
16 je .notfound
17
18.getmode:
19 call GetVideoMode
20 ;mov ax, word [0x8000 + mode_info_block.xresolution]
21 ;mov bx, word [0x8000 + mode_info_block.yresolution]
22 ;mov cl, byte [0x8000 + mode_info_block.bits_per_pixel]
23 cmp word [0x8000 + mode_info_block.xresolution], SCREEN_WIDTH
24 jne .cnt
25 cmp word [0x8000 + mode_info_block.yresolution], SCREEN_HEIGHT
26 jne .cnt
27 cmp byte [0x8000 + mode_info_block.bits_per_pixel], COLOR_DEPTH
28 JNE .cnt
29 mov ax, [0x8000 + mode_info_block.mode_attributes]
30 and ax, 90h ;LFB
31 cmp ax, 90h
32 je .found
33
34.cnt:
35 jmp .loop
36
37.notfound:
38 ;mov si, VideoModeNotFound
39 ;call Puts16
40 cli
41 hlt
42
43.found:
44 ;mov si, VideoModeFound
45 ;call Puts16
46 popad
47 ret
上面的函数是一个循环，根据VbeInfoBlock中的模式列表来查找每一个模式，调用GetVideoMode函数来获取ModeInfoBlock结构体，并将ModeInfoBlock中的字段与我们所要设置的视频模式比较，如果找到我们所需要的模式，就将其模式号储存起来。
下面是GetVideoMode函数的的代码：
01;=============================================
02; GetVideoMode
03;=============================================
04GetVideoMode:
05 pushad
06 mov cx, [VideoMode]
07 mov ax, 0x4F01
08 mov di, 0x8000
09 int10h
10 ;call CheckVbeReturn
11 popad
12 ret
main函数中接着调用了SetVideoMode函数，这个函数会设置我们刚刚查找到的视频模式，这样我们的视频模式就设置完了。进入到Unreal模式后我们就可以操作我们的内存并画出图像了。
下面是SetVideoMode函数的代码：
01;=============================================
02; SetVideoMode
03;=============================================
04SetVideoMode:
05 pushad
06 mov cx, [VideoMode] ; video mode number
07 mov ax, 0x4F01
08 mov di, 0x8000 ; buffer to get mode information
09 int10h ; get mode information
10 ;call CheckVbeReturn
11 mov ax, [0x8000 + mode_info_block.mode_attributes]
12 and ax, 0000000000000001b ; test hardware support
13 cmp ax, 01h
14 je .testLFB
15 ;mov si, NotSupportedInHardware
16 ;call Puts16
17 cli
18 hlt
19
20.testLFB:
21 mov ax, [0x8000 + mode_info_block.mode_attributes]
22 and ax, 90h ; test linear frame buffer support
23 cmp ax, 90h
24 je .ok
25 ;mov si, NotSupportedLinearFrameBuffer
26 ;call Puts16
27 cli
28 hlt
29
30.ok:
31 mov ax, 4F02h
32 mov bx, [VideoMode]
33 add bx, 4000h ; LFB mode
34 int10h ; set video mode
35 ;call CheckVbeReturn
36
37 mov bx, [VideoMode]
38
39 ;mov word [boot_info + multiboot_info.vbe_mode], bx
40 ;mov dword [boot_info + multiboot_info.vbe_mode_info], 0x8000
41
42 popad
43 ret
在Demo中我设置的是800X600 32位模式，每个像素占4字节，最高字节没有什么用处，第三字节是红色，第二字节是绿色，最低字节是蓝色，每个颜色值在0-255之间，总共有2的24次方种颜色。
main函数调用了VideoInit函数，这个函数的作用是初始化图形驱动，图形驱动提供了两个API来操作图形，一个是SetPixel16，它的作用是画一个点，第二个是ClearScreen16，它的作用是用指定的颜色清除屏幕。
SetPixel16代码如下：
01;================================================
02; SetPixel16
03; - in ax, zero based x position
04; - in bx, zero based y position
05; - in ecx, color
06;================================================
07SetPixel16:
08 pushad
09.check:
10 cmp ax, [VideoXResolution]
11 jnb .return
12 cmp bx, [VideoYResolution]
13 jnb .return
14
15 push ax
16 xor eax, eax
17 pop ax
18
19 push bx
20 xor ebx, ebx
21 pop bx
22
23 xor edi, edi
24 mov di, [VideoXResolution]
25 push eax
26 mov eax, edi
27 mul ebx ; y x VideoXResolution
28 mov edi, eax ; -> edi
29 pop eax
30
31 add edi, eax ; y x VideoXresolution + x -> edi
32
33 mov eax, [VideoMemoryPtr]
34 mov dword [ds:eax + edi*4], ecx ; write color
35
36.return:
37 popad
38 ret
ClearScreen16的代码如下：
01;================================================
02; ClearScreen16
03; - in eax, color
04;================================================
05ClearScreen16:
06 pushad
07
08 mov edi, [VideoMemoryPtr]
09
10 mov edx, 0
11 mov cx, [VideoXResolution]
12.L1:
13 push cx
14 mov cx, [VideoYResolution]
15.L2:
16 mov dword [ds:edi + edx*4], eax
17 inc edx
18
19 loop .L2
20
21 pop cx
22 loop .L1
23 popad
24 ret
小结
关于VBE编程的大部分内容都讲完了，要实现GUI首先要能够打开视频模式，接着你可以写一个驱动，这样你就可以调用驱动的API来画图，然后你可以实现自己的图形库，实现更加高级的图形函数，然后你就可以实现操作系统的API，这些API调用自己的图形库来画窗口，按钮等，这样就可以实现你自己的GUI了。
本文中涉及到很多的内容，如GDT、实模式、保护模式、A20地址总线等，如果读者不知道什么是GDT、A20地址总线以及如何设置GDT和打开A20地址总线等，请参考【翻译】操作系统开发系列中关于GDT和A20地址总线的部分。
上面提供了Demo和Demo的源文件，将VMWare的软盘设置为Demo中的镜像文件，并将VMWare设置为软盘启动，启动后即可看到效果。
由于512字节引导扇区的限制，Demo中的很多代码都被我注释掉了，以减少代码量，Demo中的代码编译后几乎刚好占用了所有的512字节，增加一两条指令就有可能溢出这512字节，导致无法编译。
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