6 色號設定（harib01f）

好了，到現在為止我們的話題都是以C語言為中心的，但我們的目的不是為了掌握C語言，而是為了制作操作系統，操作系統中是不需要條紋圖案之類的。我們繼續來做操作系統吧。

可能大家馬上就想描繪一個操作系統模樣的畫面，但在此之前要先做一件事，那就是處理顏色問題。這次使用的是320× 200的8位顏色模式，色號使用8位（二進制）數，也就是只能使用0～255的數。我想熟悉電腦顏色的人都會知道，這是非常少的。一般說起指定顏色，都是用#ffffff一類的數。這就是RGB（紅綠藍）方式，用6位十六進制數，也就是24位（二進制）來指定顏色。8位數完全不夠。那么，該怎么指定#ffffff方式的顏色呢？

這個8位彩色模式，是由程序員隨意指定0～255的數字所對應的顏色的。比如說25號顏色對應#ffffff,26號顏色對應#123456等。這種方式就叫做調色板（palette）。

如果像現在這樣，程序員不做任何設定，0號顏色就是#000000,15號顏色就是#ffffff。其他號碼的顏色，筆者也不是很清楚，所以可以按照自己的喜好來設定并使用。

筆者通過制作OSAKA知道：要想描繪一個操作系統模樣的畫面，只要有以下這16種顏色就足夠了。所以這次我們也使用這16種顏色，并給它們編上號碼0-15。

#000000：黑 #00ffff：淺亮藍 #000084：暗藍
#ff0000：亮紅 #ffffff：白 #840084：暗紫
#00ff00：亮綠 #c6c6c6：亮灰 #008484：淺暗藍
#ffff00：亮黃 #840000：暗紅 #848484：暗灰
#0000ff：亮藍 #008400：暗綠
#ff00ff：亮紫 #848400：暗黃

所以我們要給bootpack.c添加很多代碼。

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本次的bootpack.c

void io_hlt(void);
void io_cli(void);
void io_out8(int port, int data);
int io_load_eflags(void);
void io_store_eflags(int eflags);

/＊就算寫在同一個源文件里，如果想在定義前使用，還是必須事先聲明一下。＊/

void init_palette(void);
void set_palette(int start, int end, unsigned char ＊rgb);

void HariMain(void)
{
    int i; /＊ 聲明變量。變量i是32位整數型 ＊/
    char ＊p; /＊ 變量p是BYTE [...]用的地址 ＊/

    init_palette(); /＊ 設定調色板 ＊/

    p = (char ＊) 0xa0000; /＊ 指定地址 ＊/

    for (i = 0; i <= 0xffff; i++) {
        p[i] = i & 0x0f;
    }

    for (; ; ) {
        io_hlt();
    }
}

void init_palette(void)
{
    static unsigned char table_rgb[16 ＊ 3] = {
        0x00, 0x00, 0x00,   /＊  0：黑 ＊/
        0xff, 0x00, 0x00, /＊ 1：亮紅 ＊/
        0x00, 0xff, 0x00, /＊ 2：亮綠 ＊/
        0xff, 0xff, 0x00, /＊ 3：亮黃 ＊/
        0x00, 0x00, 0xff, /＊ 4：亮藍 ＊/
        0xff, 0x00, 0xff, /＊ 5：亮紫 ＊/
        0x00, 0xff, 0xff, /＊ 6：淺亮藍 ＊/
        0xff, 0xff, 0xff, /＊ 7：白 ＊/
        0xc6, 0xc6, 0xc6, /＊ 8：亮灰 ＊/
        0x84, 0x00, 0x00, /＊ 9：暗紅 ＊/
        0x00, 0x84, 0x00, /＊ 10：暗綠 ＊/
        0x84, 0x84, 0x00, /＊ 11：暗黃 ＊/
        0x00, 0x00, 0x84, /＊ 12：暗青 ＊/
        0x84, 0x00, 0x84, /＊ 13：暗紫 ＊/
        0x00, 0x84, 0x84, /＊ 14：淺暗藍 ＊/
        0x84, 0x84, 0x84 /＊ 15：暗灰 ＊/
    };
    set_palette(0, 15, table_rgb);
    return;

    /＊ C語言中的static char語句只能用于數據，相當于匯編中的DB指令 ＊/
}

void set_palette(int start, int end, unsigned char ＊rgb)
{
    int i, eflags;
    eflags = io_load_eflags();  /＊ 記錄中斷許可標志的值＊/
    io_cli();                      /＊ 將中斷許可標志置為0，禁止中斷 ＊/
    io_out8(0x03c8, start);
    for (i = start; i <= end; i++) {
        io_out8(0x03c9, rgb[0] / 4);
        io_out8(0x03c9, rgb[1] / 4);
        io_out8(0x03c9, rgb[2] / 4);
        rgb += 3;
    }
    io_store_eflags(eflags);     /＊ 復原中斷許可標志 ＊/
    return;
}

程序的頭部羅列了很多的外部函數名，這些函數必須在naskfunc.nas中寫。這有點麻煩，但也沒辦法。先跳過這一部分，我們來看看主函數HariMain。函數里只是增加了一行調用調色板置置的函數，變更并不是太大。我們接著往下看。

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函數init_palette開頭一段以static開始的語句，雖然很長，但結果無非就是聲明了一個常數table_rgb。它太長了，有些晦澀難懂，所以我們來簡化一下。

void init_palette(void)
{
    table_rgb的聲明；
    set_palette(0, 15, table_rgb);
    return;
}

簡而言之，就是這些內容。除了聲明之外沒什么難點，所以我們僅僅解說聲明部分。

char a[3]；

C語言中，如果這樣寫，那么a就成為了常數，以匯編的語言來講就是標志符。標志符的值當然就意味著地址。并且還準備了“RESB 3”。總結一下，上面的敘述就相當于匯編里的這個語句：

a：
    RESB 3

nask中RESB的內容能夠保證是0，但C語言中不能保證所以里面說不定含有某種垃圾數據。

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另外，在這個聲明的后面加上 “= { … }”，還可以寫上數據的初始值。比如：

char a[3]= { 1,2,3 }；

這與下面的內容基本等價。

char a[3]；
a[0] = 1；
a[1] = 2；
a[2] = 3；

這里，a是表示最初地址的數字，也就是說它被認為是指針。

那么這次，應該代入的值共有16× 3=48個。筆者不希望大家做如此多的賦值語句。每次賦值都至少要消耗3個字節，這樣算下來光這些賦值語句就要花費將近150字節，這太不值了。

其實寫成下面這樣一般的DB形式，不就挺好嗎。

table_rgb：
    DB 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0x00, …

只要48字節就夠了。所以說，就像在匯編語言中用DB指令代替RESB指令那樣，在C語言中也有類似的指示方法，那就是在聲明時加上static。這次我們也加上它。

下面來看unsigned。它的意思是：這里所處理的數據是BYTE（char）型，但它是沒有符號（sign）的數（0或者正整數）。

char型的變量有3種模式，分別是signed型、unsigned型和未指定型。signed型用于處理-128～127的整數。它雖然也能處理負數，擴大了處理范圍，很方便，但能夠處理的最大值卻減小了一半。unsigned型能夠處理0～255的整數。未指定型是指沒有特別指定時，可由編譯器決定是unsigned還是signed。

在這個程序里，多次出現了0xff這個數值，也就是255，我們想用它來表示最大亮度，如果它被誤解成負數（0xff會被誤解成-1）就麻煩了。雖然我們不清楚亮度比0還弱會是什么概念，但無論如何不能產生這種誤解。所以我們決定將這個數設定為unsigned。順便提一句，int和short也分signed和unsigned。……好了，關于init_palette的說明就到此為止。

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下面要講的是C語言說明部分最后的函數set_palette。這個函數雖然很短，干的事兒可不少。首先讓我們仔細看看以下精簡之后的記述吧。

void set_palette(int start, int end, unsigned char ＊rgb)
{
    int i;
    io_out8(0x03c8, start);
    for (i = start; i <= end; i++) {
        io_out8(0x03c9, rgb[0] / 4);
        io_out8(0x03c9, rgb[1] / 4);
        io_out8(0x03c9, rgb[2] / 4);
        rgb += 3;
    }
    return;
}

程序被如此精簡后還可以正確運行。其實可以在一開始就介紹這個程序，但由于想給大家介紹精簡之前的正確方法，所以才寫了那么長。這個先放一邊，我們來說說精簡的程序吧。

這個程序所做的事情，僅僅是多次調用io_out8。函數io_out8是干什么的呢？以后在naskfunc.nas中還要詳細說明，現在大家只要知道它是往指定裝置里傳送數據的函數就行了。

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我們前面已經說過，CPU的管腳與內存相連。如果僅僅是與內存相連，CPU就只能完成計算和存儲的功能。但實際上，CPU還要對鍵盤的輸入有響應，要通過網卡從網絡取得信息，通過聲卡發送音樂數據，向軟盤寫入信息等。這些都是設備（device），它們當然也都要連接到CPU上。

既然CPU與設備相連，那么就有向這些設備發送電信號，或者從這些設備取得信息的指令。向設備發送電信號的是OUT指令；從設備取得電氣信號的是IN指令。正如為了區別不同的內存要使用內存地址一樣，在OUT指令和IN指令中，為了區別不同的設備，也要使用設備號碼。設備號碼在英文中稱為port（端口）。port原意為“港口”，這里形象地將CPU與各個設備交換電信號的行為比作了船舶的出港和進港。

所以，我們執行OUT指令時，出港信號就要揮淚告別CPU了。這就好像它在說：“媽媽，我要走了。我在顯卡中，會很好的，不用擔心。”我想不用說大家也會感覺得到，在C語言中，沒有與IN或OUT指令相當的語句，所以我們只好拿匯編語言來做了。唉，匯編真是關鍵時刻顯身手的語言呀。

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如果我們讀一讀程序的話，就會發現突然蹦出了0x03c8、0x03c9之類的設備號碼，這些設備號碼到底是如何獲得的呢？隨意寫幾個數字行不行呢？這些號碼當然不是能隨便亂寫的。否則，別的什么設備胡亂動作一下，會帶來很嚴重的問題。所以事先必須仔細調查。筆者自己制作了參考網頁。

網頁的敘述太長了，不好意思（注：這一頁也是筆者寫的）。網頁中有一個項目，叫做“video DA converter”，其中有以下記述。

? 調色板的訪問步驟。

? 首先在一連串的訪問中屏蔽中斷（比如CLI）。

? 將想要設定的調色板號碼寫入0x03c8，緊接著，按R, G, B的順序寫入0x03c9。如果還想繼續設定下一個調色板，則省略調色板號碼，再按照RGB的順序寫入0x03c9就行了。

? 如果想要讀出當前調色板的狀態，首先要將調色板的號碼寫入0x03c7，再從0x03c9讀取3次。讀出的順序就是R, G, B。如果要繼續讀出下一個調色板，同樣也是省略調色板號碼的設定，按RGB的順序讀出。

? 如果最初執行了CLI，那么最后要執行STI。

我們的程序在很大程度上參考了以上內容。

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到這里，該說明的部分都說明得差不多了。總結一下就是：

void set_palette(int start, int end, unsigned char ＊rgb)
{
    int i, eflags;
    eflags = io_load_eflags();  /＊ 記錄中斷許可標志的值 ＊/
    io_cli();                      /＊ 將許可標志置為0，禁止中斷 ＊/
    已經說明的部分
    io_store_eflags(eflags);     /＊ 恢復許可標志的值 ＊/
    return;
}

在“調色板的訪問步驟”的記述中，還寫著CLI、STI什么的。下面來看看它們可以做些什么。

首先是CLI和STI。所謂CLI，是將中斷標志（interrupt flag）置為0的指令（clear interrupt flag）。STI是要將這個中斷標志置為1的指令（set interrupt flag）。而標志，是指像以前曾出現過的進位標志一樣的各種標志，也就是說在CPU中有多種多樣的標志。更改中斷標志有什么好處呢？正如其名所示，它與CPU的中斷處理有關系。當CPU遇到中斷請求時，是立即處理中斷請求（中斷標志為1），還是忽略中斷請求（中斷標志為0），就由這個中斷標志位來設定。

那到底什么是中斷呢？大家可能會有這種疑問，可如果現在來講這個問題的話，就與我們“描繪一個操作系統模樣的畫面”這個主題漸行漸遠了，所以等以后有機會再講吧。

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下面再來介紹一下EFLAGS這一特別的寄存器。這是由名為FLAGS的16位寄存器擴展而來的32位寄存器。FLAGS是存儲進位標志和中斷標志等標志的寄存器。進位標志可以通過JC或JNC等跳轉指令來簡單地判斷到底是0還是1。但對于中斷標志，沒有類似的JI或JNI命令，所以只能讀入EFLAGS，再檢查第9位是0還是1。順便說一下，進位標志是EFLAGS的第0位。

set_palette中想要做的事情是在設定調色板之前首先執行CLI，但處理結束以后一定要恢復中斷標志，因此需要記住最開始的中斷標志是什么。所以我們制作了一個函數io_load_eflags，讀取最初的eflags值。處理結束以后，可以先看看eflags的內容，再決定是否執行STI，但仔細想一想，也沒必要搞得那么復雜，干脆將eflags的值代入EFLAGS，中斷標志位就恢復為原來的值了。函數io_store_eflags就是完成這個處理的。

估計不說大家也知道了，CLI也好，STI也好，EFLAGS的讀取也好，EFLAGS的寫入也好，都不能用C語言來完成。所以我們就努力一下，用匯編語言來寫吧。

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我們已經解釋了bootpack.c程序，那么現在就來說說naskfunc.nas。

; naskfunc
; TAB=4
[FORMAT "WCOFF"]                  ; 制作目標文件的模式
[INSTRSET "i486p"]                ; 使用到486為止的指令
[BITS 32]                          ; 制作32位模式用的機器語言
[FILE "naskfunc.nas"]             ; 源程序文件名
        GLOBAL  _io_hlt, _io_cli, _io_sti, io_stihlt
        GLOBAL  _io_in8,  _io_in16,  _io_in32
        GLOBAL  _io_out8, _io_out16, _io_out32
        GLOBAL  _io_load_eflags, _io_store_eflags
[SECTION .text]
_io_hlt:     ; void io_hlt(void);
        HLT
        RET
_io_cli:     ; void io_cli(void);
        CLI
        RET
_io_sti:     ; void io_sti(void);
        STI
        RET
_io_stihlt: ; void io_stihlt(void);
        STI
        HLT
        RET
_io_in8:     ; int io_in8(int port);
        MOV      EDX, [ESP+4]      ; port
        MOV      EAX,0
        IN       AL, DX
        RET
_io_in16:   ; int io_in16(int port);

        MOV      EDX, [ESP+4]      ; port
        MOV      EAX,0
        IN       AX, DX
        RET
_io_in32:   ; int io_in32(int port);
        MOV      EDX, [ESP+4]      ; port
        IN       EAX, DX
        RET
_io_out8:   ; void io_out8(int port, int data);
        MOV      EDX, [ESP+4]      ; port
        MOV      AL, [ESP+8]       ; data
        OUT      DX, AL
        RET
_io_out16:  ; void io_out16(int port, int data);
        MOV      EDX, [ESP+4]      ; port
        MOV      EAX, [ESP+8]      ; data
        OUT      DX, AX
        RET
_io_out32:  ; void io_out32(int port, int data);
        MOV      EDX, [ESP+4]      ; port
        MOV      EAX, [ESP+8]      ; data
        OUT      DX, EAX
        RET
_io_load_eflags:     ; int io_load_eflags(void);
        PUSHFD       ; 指PUSH EFLAGS
        POP      EAX
        RET
_io_store_eflags:   ; void io_store_eflags(int eflags);
        MOV      EAX, [ESP+4]
        PUSH EAX
        POPFD ; 指POP EFLAGS
        RET

到現在為止的說明，想必大家都已經懂了，尚且需要說明的只有與EFLAGS相關的部分了。如果有“MOV EAX, EFLAGS”之類的指令就簡單了，但CPU沒有這種指令。能夠用來讀寫EFLAGS的，只有PUSHFD和POPFD指令。

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PUSHFD是“push flags double-word”的縮寫，意思是將標志位的值按雙字長壓入棧。其實它所做的，無非就是“PUSH EFLAGS”。POPFD是“pop flags double-word”的縮寫，意思是按雙字長將標志位從棧彈出。它所做的，就是“POP EFLAGS”。

棧是數據結構的一種，大家暫時只要理解到這個程度就夠了。往棧登錄數據的動作稱為push（推），請想象一下往烤箱里放面包的情景。從棧里取出數據的動作稱為pop（彈出）。

也就是說，“PUSHFD POP EAX”，是指首先將EFLAGS壓入棧，再將彈出的值代入EAX。所以說它代替了“MOV EAX, EFLAGS”。另一方面，PUSH EAX POPFD正與此相反，它相當于“MOV EFLAGS, EAX”。

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最后要講的是io_load_eflags。它對我們而言，是第一個有返回值的函數的例子，但根據C語言的規約，執行RET語句時，EAX中的值就被看作是函數的返回值，所以這樣就可以。

另外，雖然還有幾個函數是不必要的，但因為將來會用到，所以這里就順便做了。雖然不知道什么時候用，用于什么目的，但通過到目前為止的講解也能明白其中的意義。

好了，講解完了以后執行一下吧。運行“make run”。條紋的圖案沒有變化，但顏色變了！成功了！