操作系统实现之路-Video对象

Video对象层中的主要对象就是Video对象，系统中的每个显示设备，对应一个Video对象。一个典型的例子就是，在个人计算机中，会有显示器设备、打印机设备、投影仪设备等。每个这样的设备，对应一个显示对象。显示对象的具体实现是由设备的驱动程序完成的，在实现Video对象的时候，具体的功能代码，与硬件关系紧密，不同的Video对象会存在较大差异。但是每个Video对象的实现，必须按照预先定义的接口进行，否则无法被更上层（通用绘制层）调用。

对程序员来说，解释概念的最直观方法，就是展示代码。下面是Video对象的预定义代码：

当前的定义比较简单，基本上是按照flat display memory的模型来定制的。但是可以对其进行扩展，添加更多的功能。重点关注下列几个预定义函数：

（1）Initialize/UnInitialize函数，其中第一个是在GUI模块初始化的时候被调用，第二个则是在Video对象被卸载的时候调用。对显示卡来说，应该在Initialize函数中，对硬件进行初始化，获得硬件的相关信息，并把关键的信息填到Video的几个变量中。最主要的是pBaseAddress、BitsPerPixel等。这些变量的含义都是自解释的。

（2）DrawPixel、DrawLine等函数。这些函数实现了最基本的绘制功能，上层模块通过调用这些功能，实现更复杂的绘制操作。DrawPixel和GetPixel是必须实现的，其他诸如画线、画椭圆等，可选择实现。如果实现了，GUI的通用绘制层会直接调用，如果没有实现，通用绘制层会通过调用DrawPixel函数来自行实现，这时候的效率，可能不如Video对象实现的高。因为Video对象在实现的时候，可以调过自身的硬件机制来实现绘制功能，而通用绘制层的实现，则完全是基于软件的。通过这里的描述，读者会更进一步理解显示卡对CPU在图形操作上的处理分担（offload）功能。

（3）MouseToScreen函数，这是必须实现的。这个函数把鼠标的坐标数值，换算成屏幕的坐标数值。因为通常情况下，鼠标的横纵坐标最大为255，而屏幕的分辨率则是变化的。我们在操作窗口元素的时候，是以屏幕坐标为基础的，而用户输入，则是以鼠标坐标为基础。这样就必须实现这两者之间的转换。

在Hello China V1.75的实现中，只有一个Video对象—全局Video对象。该对象对应屏幕显示设备。这个对象直接定义在源代码中，这样其他层次（比如通用绘制层）就可直接调用它提供的功能方法了：

上面的定义，初始化了Initialize等函数，但是对于pBaseAddress等，并没有设置。这些变量的设置，是在Initialize函数中实现的。下面详细解释Initialize函数的实现。

Initialize函数的实现代码如下：

Video对象初始化的过程比较简单，主要有三个关键点，代码中分别用（1）、（2）、（3）表示。分别介绍如下：

（1）首先调用SwitchToGraphic函数，试图切入图形模式的0x118显示模式。该函数首先切换到实模式，然后通过0x10号中断调用，设置显示卡工作模式为0x118，并获取对应模式的相关信息，存储到VBE_INFO_START定义的内存处，然后再切换回保护模式。如果一切操作都是成功的，则返回TRUE，任何一个环节失败就返回FALSE。如果这个函数失败，则直接导致Video对象的Initialize函数失败，从而导致GUI模块加载失败。这里需要注意的是，Hello China在加载GUI模块的时候，就已经进入保护模式了。这时若要调用0x10 BIOS中断设置显示模式，则必须重新返回实模式。

（2）SwitchToGraphic函数成功后，说明已经切换到0x118号的图形模式，该模式的相关信息被保存在VBE_INFO_START定义的内存地址处。该处存放了一个VBE_MODE_INFO结构的信息块，其中的physbaseptr变量，就是我们关注的flat display memory的起始地址。需要注意的是，这个地址是显卡显存的物理地址，这个地址由BIOS在初始化显卡时设置。缺省情况下Hello China启用了VMM（虚拟内存管理，详情可参考第5章）功能，任何一块可用的内存空间，必须经VMM管理器建立对应的页目录和页表才能访问，否则会引发异常。因此在获得该地址后，必须调用VirtualAlloc函数，来为显存建立页目录和页表。关于VirtualAlloc函数的使用，在第5章有详细介绍。正常情况下应该不会失败，因为显存地址不会被占用。但是也有可能出现显存地址被预先占用的情况，这时候就会导致VirtualAlloc失败，从而导致Video初始化失败。如果读者对VirtualAlloc的使用方法不了解，也无需在这里花费过多时间，可以先认为这一步不存在，以免影响对GUI部分的理解。(www.xing528.com)

（3）另外一个需要设置的是显存的大小。在0x118模式下，显存的大小是3MB。正常情况下，显存的大小也应该是从VBE信息块中获取的。但是为了实现上的方便，直接用预定义的常数DISPLAY_MEMORY_LENGTH来初始化显存大小。一般情况下，这是没有问题的。

初始化完成之后，Video对象就可以被更上层的应用代码直接使用了。在当前版本的实现中，Video对象的功能比较简单，只实现了画点、画线、画圆等基础函数。下面是画点函数的实现，非常简单。

该函数的功能是在屏幕坐标（x，y）处，画一个颜色是color的点。函数首先计算出这个坐标所对应的显存地址，然后把颜色代码写入显存即可。这样显卡硬件就会在（x，y）处点亮对应的颜色。

其他函数，比如画线函数，则是使用了一些成熟的计算机图形学算法，调用DrawPixel来实现画图功能。如何快速有效地画出一条直线，甚至不使用浮点运算功能，是计算机图形学的重要课题之一。比如比较有名的画线算法，是Bresenham算法，这个算法快速且效果好，又不用浮点数支持，非常高效。Hello China V1.75 GUI的画线和画圆算法，就使用了该算法。这个算法的详细思想，可参考相关资料，或者到网上搜索。

到此为止，GUI部分与硬件相关的内容介绍完毕，相信读者们已经建立起一个清晰的脉络。此后的所有内容，基本都是硬件无关的，它们只会调用Video对象提供的服务，硬件操作完全由Video对象屏蔽。为了进一步加深读者理解，我们简单描述一下GUI模块加载过程的开始部分，这样会把Video对象的初始化等动作所在的位置说明得更加清楚。

Hello China V1.75的GUI模块是在字符shell模式下加载的。在字符操作模式下，用户输入gui命令并回车后，字符shell会在C：\PTHOUSE目录下寻找hcngui.bin模块。如果找不到，则加载失败，重新回到字符shell。如果能够找到hcngui.bin模块，则字符shell会读取该模块到内存，然后进行合法性检查，主要是检查该模块的开始部分是不是一个合法的Hello China外围模块。如果检查失败，则放弃加载，返回字符shell。如果检查顺利通过，则字符shell会以hcngui.bin的起始地址为入口点，创建一个名字为“GUI”的核心线程，然后等待该线程运行结束（通过调用WaitForThisObject，等待GUI线程运行结束）。需要注意的是，字符shell本身就是一个核心线程，在完成GUI线程的创建后，系统中至少存在三个核心线程：字符shell线程、GUI线程、空闲idle线程。

GUI线程会马上被调度运行，这时候正式进入GUI模块的初始化过程。下面是初始化的部分代码：

上述Init函数即是GUI模块的初始化函数，也是GUI模块被加载后调用的第一个函数。该函数首先初始化Video对象（在上述代码位置（1）处），如果初始化失败，则直接进入出错处理过程，取消GUI的进一步初始化。代码中Video对象的Initialize函数，就是前面部分讲解的Video初始化函数。在这个函数内，完成切换到图形模式、初始化显存地址、为显存分配页目录和页表等工作。

如果Video对象初始化成功，则继续初始化系统中的其他对象，比如窗口管理器对象等。这些对象的详细初始化过程，在后续章节中会一一展开。全局对象初始化完毕，GUI模块会创建几个核心线程如GUIRAWIT线程、GUISHELL线程等，这些线程的用途，会在后面详细介绍，现在不必理会。核心线程创建完毕，GUI线程就会进入等待状态（等待GUIRAWIT等线程运行结束），正式的GUI功能由GUIRAWIT、GUISHELL等线程完成。一旦GUIRAWIT等核心线程运行结束（由用户驱动，比如用户在图形模式下按了“CTRL+ALT+DEL”组合键，就会导致GUIRAWIT线程自然结束），GUI线程会重新被调度运行，于是就进行资源清除工作，然后正式退出图形模式。

这里提到的一些线程，可能会让读者糊涂，图11-2清晰地说明了这些线程的等待关系。因为这些线程非常重要，所以读者必须搞清楚它们之间的关系，否则理解GUI的后续内容将存在一定困难。

图11-2 GUI关键线程生命周期示意

图中阴影部分指的是线程处于阻塞等待状态，非阴影部分指的是线程处于正常运行状态。这种以核心线程为基础的设计方式，可有效地把GUI这个复杂的功能模块，分解为相互独立又相互协作的独立功能模块，具备很强的伸缩性和灵活性。