计算机实验室之树莓派：课程 8 屏幕03

屏幕03 课程基于屏幕02 课程来构建，它教你如何绘制文本，和一个操作系统命令行参数上的一个小特性。假设你已经有了课程 7：屏幕02 的操作系统代码，我们将以它为基础来构建。

1、字符串的理论知识

是的，我们的任务是为这个操作系统绘制文本。我们有几个问题需要去处理，最紧急的那个可能是如何去保存文本。令人难以置信的是，文本是迄今为止在计算机上最大的缺陷之一。原本应该是简单的数据类型却导致了操作系统的崩溃，从而削弱其他方面的加密效果，并给使用其它字母表的用户带来了许多问题。尽管如此，它仍然是极其重要的数据类型，因为它将计算机和用户很好地连接起来。文本是计算机能够理解的非常好的结构，同时人类使用它时也有足够的可读性。

那么，文本是如何保存的呢？非常简单，我们使用一种方法，给每个字母分配一个唯一的编号，然后我们保存一系列的这种编号。看起来很容易吧。问题是，那个编号的数量是不固定的。一些文本段可能比其它的长。保存普通数字，我们有一些固有的限制，即：32 位，我们不能超过这个限制，我们要添加方法去使用该长度的数字等等。“文本”这个术语，我们经常也叫它“字符串”，我们希望能够写一个可用于可变长度字符串的函数，否则就需要写很多函数！对于一般的数字来说，这不是个问题，因为只有几种通用的数字格式（字节、字、半字节、双字节）。

可变数据类型（比如文本）要求能够进行很复杂的处理。

因此，如何判断字符串长度？我想显而易见的答案是存储字符串的长度，然后去存储组成字符串的字符。这称为长度前缀，因为长度位于字符串的前面。不幸的是，计算机科学家的先驱们不同意这么做。他们认为使用一个称为空终止符（NULL）的特殊字符（用 \0 表示）来表示字符串结束更有意义。这样确定简化了许多字符串算法，因为你只需要持续操作直到遇到空终止符为止。不幸的是，这成为了许多安全问题的根源。如果一个恶意用户给你一个特别长的字符串会发生什么状况？如果没有足够的空间去保存这个特别长的字符串会发生什么状况？你可以使用一个字符串复制函数来做复制，直到遇到空终止符为止，但是因为字符串特别长，而覆写了你的程序，怎么办？这看上去似乎有些较真，但是，缓冲区溢出攻击还是经常发生。长度前缀可以很容易地缓解这种问题，因为它可以很容易地推算出保存这个字符串所需要的缓冲区的长度。作为一个操作系统开发者，我留下这个问题，由你去决定如何才能更好地存储文本。

缓冲区溢出攻击祸害计算机由来已久。最近，Wii、Xbox 和 Playstation 2、以及大型系统如 Microsoft 的 Web 和数据库服务器，都遭受到缓冲区溢出攻击。

接下来的事情是，我们需要确定的是如何最好地将字符映射到数字。幸运的是，这是高度标准化的，我们有两个主要的选择，Unicode 和 ASCII。Unicode 几乎将每个有用的符号都映射为数字，作为代价，我们需要有很多很多的数字，和一个更复杂的编码方法。ASCII 为每个字符使用一个字节，因此它仅保存拉丁字母、数字、少数符号和少数特殊字符。因此，ASCII 是非常易于实现的，与之相比，Unicode 的每个字符占用的空间并不相同，这使得字符串算法更棘手。通常，操作系统上字符使用 ASCII，并不是为了显示给最终用户的（开发者和专家用户除外），给终端用户显示信息使用 Unicode，因为 Unicode 能够支持像日语字符这样的东西，并且因此可以实现本地化。

幸运的是，在这里我们不需要去做选择，因为它们的前 128 个字符是完全相同的，并且编码也是完全一样的。

表 1.1 ASCII/Unicode 符号 0-127

这个表显示了前 128 个符号。一个符号的十六进制表示是行的值加上列的值，比如 A 是 41 16。你可以惊奇地发现前两行和最后的值。这 33 个特殊字符是不可打印字符。事实上，许多人都忽略了它们。它们之所以存在是因为 ASCII 最初设计是基于计算机网络来传输数据的一种方法。因此它要发送的信息不仅仅是符号。你应该学习的重要的特殊字符是 NUL，它就是我们前面提到的空终止符。HT 水平制表符就是我们经常说的 tab，而 LF 换行符用于生成一个新行。你可能想研究和使用其它特殊字符在你的操行系统中的意义。

2、字符

到目前为止，我们已经知道了一些关于字符串的知识，我们可以开始想想它们是如何显示的。为了显示一个字符串，我们需要做的最基础的事情是能够显示一个字符。我们的第一个任务是编写一个 DrawCharacter 函数，给它一个要绘制的字符和一个位置，然后它将这个字符绘制出来。

这就很自然地引出关于字体的讨论。我们已经知道有许多方式去按照选定的字体去显示任何给定的字母。那么字体又是如何工作的呢？在计算机科学的早期阶段，字体就是所有字母的一系列小图片而已，这种字体称为位图字体，而所有的字符绘制方法就是将图片复制到屏幕上。当人们想去调整字体大小时就出问题了。有时我们需要大的字母，而有时我们需要的是小的字母。尽管我们可以为每个字体、每种大小、每个字符都绘制新图片，但这种作法过于单调乏味。所以，发明了矢量字体。矢量字体不包含字体的图像，它包含的是如何去绘制字符的描述，即：一个 o 可能是最大字母高度的一半为半径绘制的圆。现代操作系统都几乎仅使用这种字体，因为这种字体在任何分辨率下都很完美。

在许多操作系统中使用的 TrueType 字体格式是很强大的，它内置有它自己的汇编语言，以确保在任何分辨率下字母看起来都是正确的。

不幸的是，虽然我很想包含一个矢量字体的格式的实现，但它的内容太多了，将占用这个网站的剩余部分。所以，我们将去实现一个位图字体，可是，如果你想去做一个像样的图形操作系统，那么矢量字体将是很有用的。

在下载页面上的字体节中，我们提供了几个 .bin 文件。这些只是字体的原始二进制数据文件。为完成本教程，从等宽、单色、8x16 节中挑选你喜欢的字体。然后下载它并保存到 source 目录中并命名为 font.bin 文件。这些文件只是每个字母的单色图片，它们每个字母刚好是 8 x 16 个像素。所以，每个字母占用 16 字节，第一个字节是第一行，第二个字节是第二行，依此类推。

这个示意图展示了等宽、单色、8x16 的字符 A 的 “Bitstream Vera Sans Mono” 字体。在这个文件中，我们可以找到，它从第 41 16 × 10 16 = 410 16 字节开始的十六进制序列：

00, 00, 00, 10, 28, 28, 28, 44, 44, 7C, C6, 82, 00, 00, 00, 00

在这里我们将使用等宽字体，因为等宽字体的每个字符大小是相同的。不幸的是，大多数字体的复杂之处就是因为它的宽度不同，从而导致它的显示代码更复杂。在下载页面上还包含有几个其它的字体，并包含了这种字体的存储格式介绍。

我们回到正题。复制下列代码到 drawing.s 中的 graphicsAddress 的 .int 0 之后。

.align 4
font:
.incbin "font.bin"

.incbin "file" 插入来自文件 “file” 中的二进制数据。

这段代码复制文件中的字体数据到标签为 font 的地址。我们在这里使用了一个 .align 4 去确保每个字符都是从 16 字节的倍数开始，这是一个以后经常用到的用于加快访问速度的技巧。

现在我们去写绘制字符的方法。我在下面给出了伪代码，你可以尝试自己去实现它。按惯例 >> 的意思是逻辑右移。

function drawCharacter(r0 is character, r1 is x, r2 is y)
  if character > 127 then exit
  set charAddress to font + character × 16
  for row = 0 to 15
  set bits to readByte(charAddress + row)
  for bit = 0 to 7
    if test(bits >> bit, 0x1)
    then setPixel(x + bit, y + row)
    next
  next
  return r0 = 8, r1 = 16
end function

如果直接去实现它，这显然不是个高效率的做法。像绘制字符这样的事情，效率是最重要的。因为我们要频繁使用它。我们来探索一些改善的方法，使其成为最优化的汇编代码。首先，因为我们有一个 × 16，你应该会马上想到它等价于逻辑左移 4 位。紧接着我们有一个变量 row，它只与 charAddress 和 y 相加。所以，我们可以通过增加替代变量来消除它。现在唯一的问题是如何判断我们何时完成。这时，一个很好用的 .align 4 上场了。我们知道，charAddress 将从包含 0 的低位半字节开始。这意味着我们可以通过检查低位半字节来看到进入字符数据的程度。

虽然我们可以消除对 bit 的需求，但我们必须要引入新的变量才能实现，因此最好还是保留它。剩下唯一的改进就是去除嵌套的 bits >> bit。

function drawCharacter(r0 is character, r1 is x, r2 is y)
  if character > 127 then exit
  set charAddress to font + character  9 or tag = 0 then return 0
  set tagAddr to loadWord(tag_core + (tag - 1) × 4)
  if not tagAddr = 0 then return tagAddr
  if readWord(tag_core) = 0 then return 0
  set tagAddr to 0x100
  loop forever
    set tagIndex to readHalfWord(tagAddr + 4)
    if tagIndex = 0 then return FindTag(tag)
    if readWord(tag_core+(tagIndex-1)×4) = 0
    then storeWord(tagAddr, tag_core+(tagIndex-1)×4)
    set tagAddr to tagAddr + loadWord(tagAddr) × 4
  end loop
end function

这段代码已经是优化过的，并且很接近汇编了。它尝试直接加载标签，第一次这样做是有些乐观的，但是除了第一次之外的其它所有情况都是可以这样做的。如果失败了，它将去检查 core 标签是否有地址。因为 core 标签是必不可少的，如果它没有地址，唯一可能的原因就是它不存在。如果它有地址，那就是我们没有找到我们要找的标签。如果没有找到，那我们就需要查找所有标签的地址。这是通过读取标签编号来做的。如果标签编号为 0，意味着已经到了标签列表的结束位置。这意味着我们已经查找了目录中所有的标签。所以，如果我们再次运行我们的函数，现在它应该能够给出一个答案。如果标签编号不为 0，我们检查这个标签类型是否已经有一个地址。如果没有，我们在目录中保存这个标签的地址。然后增加这个标签的长度（以字节为单位）到标签地址中，然后去查找下一个标签。

尝试去用汇编实现这段代码。你将需要简化它。如果被卡住了，下面是我的答案。不要忘了 .section .text！

.section .text
.globl FindTag
FindTag:
tag .req r0
tagList .req r1
tagAddr .req r2

sub tag,#1
cmp tag,#8
movhi tag,#0
movhi pc,lr

ldr tagList,=tag_core
tagReturn$:
add tagAddr,tagList, tag,lsl #2
ldr tagAddr,[tagAddr]

teq tagAddr,#0
movne r0,tagAddr
movne pc,lr

ldr tagAddr,[tagList]
teq tagAddr,#0
movne r0,#0
movne pc,lr

mov tagAddr,#0x100
push {r4}
tagIndex .req r3
oldAddr .req r4
tagLoop$:
ldrh tagIndex,[tagAddr,#4]
subs tagIndex,#1
poplt {r4}
blt tagReturn$

add tagIndex,tagList, tagIndex,lsl #2
ldr oldAddr,[tagIndex]
teq oldAddr,#0
.unreq oldAddr
streq tagAddr,[tagIndex]

ldr tagIndex,[tagAddr]
add tagAddr, tagIndex,lsl #2
b tagLoop$

.unreq tag
.unreq tagList
.unreq tagAddr
.unreq tagIndex

5、Hello World

现在，我们已经万事俱备了，我们可以去绘制我们的第一个字符串了。在 main.s 文件中删除 bl SetGraphicsAddress 之后的所有代码，然后将下面的代码放进去：

mov r0,#9
bl FindTag
ldr r1,[r0]
lsl r1,#2
sub r1,#8
add r0,#8
mov r2,#0
mov r3,#0
bl DrawString
loop$:
b loop$

这段代码简单地使用了我们的 FindTag 方法去查找第 9 个标签（cmdline），然后计算它的长度，然后传递命令和长度给 DrawString 方法，告诉它在 0,0 处绘制字符串。现在可以在树莓派上测试它了。你应该会在屏幕上看到一行文本。如果没有，请查看我们的排错页面。

如果一切正常，恭喜你已经能够绘制文本了。但它还有很大的改进空间。如果想去写了一个数字，或内存的一部分，或操作我们的命令行，该怎么做呢？在 课程 9：屏幕04 中，我们将学习如何操作文本和显示有用的数字和信息。

via: https://www.cl.cam.ac.uk/projects/raspberrypi/tutorials/os/screen03.html

作者：Alex Chadwick 选题：lujun9972 译者：qhwdw 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出