[RustOS]VGA Text Mode笔记

本文是 [Writing an OS in Rust (Second Edition)](https://os.phil-opp.com/second-edition/)第三篇文章[VGA Text Mode](https://os.phil-opp.com/vga-text-mode/) 的阅读笔记,同时对文章中我觉得不太明白的一些内容做了一些扩展。

VGA Text Mode

Memory-mapped I/O (MMIO) 是 CPU 驱动 I/O 外设的一种方式。简单得说,就是外设的操作地址(我不知道这里该如何解释)映射到了系统内存的一个区域,CPU 通过直接读写内存,来与 I/O 外设通信。

Text Mode 是显卡进行显示输出的一种实现方式。显卡将显示区域划分成一个二维的矩阵(类似 excel )每个单元格对应一个文字字符数据。单个字符确切的像素数据由显卡控制。

VGA text mode,全称应该是 VGA-compatible text mode,是 Text Mode 的一种实现,用于兼容 VGA 的设备(或者说兼容 VGA 的设备,都有这种模式)。VGA text mode 规定,每个字符数据是个 2 字节的数据,前 8 位为字符的 askii 码,之后四位是文字颜色,再之后三位是背景颜色,最后一位控制是否闪烁。整个显示区域划分为 25 行 80 列(25行,每行80个字符)。 image

图片来自wikipedia,图里面是小端序,但我们编程一般默认大端序,所以是反的

CPU 通过 MMIO 的方式来驱动显卡的 VGA text mode。具体规则是在内存地址 0xB8000 处有一个25 * 80,单个元素 2 字节大小的二维数组(VGA text buffer),对应显示区域的 25 行 80 列的显示区域。每个数组元素就是一个单元格内的显示数据。程序只要指定读写该区域的数据,就能实现显示控制。

Volatile variable

Volatile 的原意是挥发性的,不稳定。而 Volatile variable 指的是那些可能通过多种途径进行修改的数据。比如上面的 VGA text buffer,如果在程序中使用那么指针对应的数据,除了程序本身会修改,其他的程序也会修改,显卡驱动(bios?)也会修改。

这样的数据会有一个问题,就是很多时候对于单一程序只会进行读取/写入这种操作中的一种,比如 VGA text buffer 读取很多时候是显卡的事,程序则只负责写入。这样的数据,编译器会认为是没有意义的,很可能会在优化的时候被去掉,反而出现错误。所以一些语言中会把这样的数据标记出来。比如c、c++、java都有关键字volatile。MMIO 是 volatile 最常用的场景之一。

rust中没有 volatile 关键字,但是有一个 volatile 包可以实现相关功能。Volatile 包只有一个 Struct 即Volatile,实现 read/write 两个方法。这两个方法本质上是 instrinsics 包中的相关函数的包装,用来指示编译器(LLVM)行为。

几个attribute

allow

rust 编译器检查非常严格,比如 dead_code、unused_mut 之类的。通过 allow,可以让编译器忽略相关检查。完整的列表通过 rustc -W help 命令查看。

derive

rust 编译器可以非常智能提供一些基本 trait 的自动实现。通过 derive 可以指示 rust 编译器做这些事情。derive` 指令支持的 trait 有

文章里面用到了 Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq这几个 trait。

repr

repr 指示了编译器之后内容的数据在内存中形式。文章中设计到了下面几种

  • repr(transparant)。与struct中的第一个元素相同,一般用于只有单元素的struct,比如文中的ColorCode
  • repr(C)。以C语言的方式存储。
  • repr(RUST)。以rust语言的方式存储,这个文章中没有,和上面那个对应,也是默认的值。

更多的repr可用值可以看这个文档

macro_export

类似pub的作用,不过作用对象是macro。

static和lazy static

在 rust中 的全局变量,即 static 类型,其他方面都与局部变量相同,只有生命周期不同。static 类型变量有个固定的’static 生命周期;数据值会在编译期初始化,并在整个程序运行周期中存在。与const 类型的差别在于,static类型支持mut关键字,就是可以在运行时更改其数据。

static 类型如果在一个包中,同样也要依靠pub关键字,使得可以在外部访问。

由于static类型可以通过表达式来初始化,而初始化又在编译期进行,所以很多数据类型不能用于static类型的初始化(就是那些编译器推测不了数据大小的类型)。一种解决方案是用 const function,但是文中的例子用const function也不能实现(具体的我也还不是特别理解是怎么回事)。文中通过 lazy static 的方式来处理这个问题。

lazy_static 这个包,提供了一个lazy_static!的macro。直接把 static 数据类型的初始化包裹其中就可以了。比如文中的

use lazy_static::lazy_static;

lazy_static! {
pub static ref WRITER: Writer = Writer {
column_position: 0,
color_code: ColorCode::new(Color::Yellow, Color::Black),
buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
};
}

mutex

关于并发问题根源可以看 这个文章,说得比较清楚。

VGA text buff 只是在内存地址0xb8000上一个二维数组数据,但是从逻辑上它是一个I/O 资源。对资源的使用涉及到竞争的问题,尤其是上述还用了static 类型来保存全局的 VGA text buff 数据。

一般的编程中都会引入 mutex (互斥锁)来保证共享资源的操作安全。mutex是一个抽象上的概念,其本质是一种二元锁机制,即一个程序流(这里不想用线程,因为线程是操作系统概念,到目前为止还没到线程)要想执行操作 A,必须先判断另一个数据 B(一般是个 bool)符合一定状态(数据A是否使用中的状态)。而数据B的变化(compareAndSwap)必须是原子操作,这样才能确保数据B的变化是是顺序的可预期的。

一般 Mutex 包(比如rust的std::sync::Mutex)是需要用到操作系统相关功能的,这样可以在没有办法获得资源的时候让出cpu,并在锁的状态改变时唤醒。但是我们在写就是操作系统,所以文章中引入了一个不依赖操作系统的 mutex,即 spin 这个包中的 mutex。

spinlock

所谓spinlock,简单理解就是用某种方式(比如while循环),使得当前程序流(操作系统一般就是线程)占满cpu,就避免了其他的的程序流来抢占cpu导致上下文切换进而发生资源竞争。说得通俗一点,就是原先cpu是谁着急谁用导致了资源竞争,spinlock使得我永远着急,所以等我用完你再用。

这里有一个用rust和spinlock来实现mutex的文章,可以用来帮助理解这些概念。spin 包中的 mutex 实现也比较简单,值得一看。

界面刷新算法

界面的刷新基于一般的命令行界面规则,由下往上刷新,也就是在检测到当前行已经填满或者检测到换行符时,整体向上移动一行。对应到VGA text buff 上,由于数组顺序到界面的顺序为由上往下,从左往右的(x[0][0]是左上角第一个字符),所以就是所有当前的字符,赋值给二级坐标减一的位置(x[i][j-1] = x[i][j])。同时,最下面一行用空白填充。

界面刷新算法可以说是整个文章中最简单部分了。可以学习的更多还是对VGA text buff的抽象。具体实现在文章中很清楚,不再赘述。


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