Rust-oslab-01：向FrameBuffer中输入字符
实验完成步骤：
Rust-os-lab-01
PartA:
对比readelf -h kernel/target/x86_64-unknown-none/debug/kernel和GDB中的调试信息，找出kernel/target/x86_64-unknown-none/debug/kernel的入口地址
Readelf显示的入口地址是0x2fe0
Gdb调试的过程中，显示的地址也是0x2fe0。
ELF文件格式的信息：
以下为ELF文件的结构定义：
部分关键信息解释：
魔数：
7f 、45、4c、46分别对应ascii码的Del(删除)、字母E、字母L、字母F。这四个字节被称为ELF文件的魔数，操作系统在加载可执行文件时会确认魔数是否正确，如果不正确则拒绝加载。
第五个字节标识ELF文件是32位（01）还是64位（02）的。
第六个字节标识该ELF文件字节序是小端（01）还是大端（02）的。
第七个字节指示ELF文件的版本号，一般是01。
后九个字节ELF标准未做定义。一般为00.
文件类型：
类型: DYN
e_type成员标识文件类型，ELF文件有三种类型.
系统架构：
系统架构: Advanced Micro Devices X86-64
e_machine成员标识系统架构(机器类型)，ELF定义了以下多种系统架构。可在“/usr/include/elf.h”头文件中查看.
综上，结构如下：
全部信息解释：ELF文件解析（二）：ELF header详解 - JollyWing - 博客园 (cnblogs.com)
PartB：熟悉串口输出
目的：熟悉Rust语言语法，了解Rust库的调用方法
阅读示例代码中串口输出的实现(serial_print!和serial_println!)
在kernel/serial.rs中实现的serial_print与serial_println如下：
在编写这段格式化打印之前，我们需要熟悉整个过程：
Serial.rs是Rust项目中的串口驱动模块，提供了初始化串口驱动、从串口中读取一个字符、打印至串口的功能。其中，使用了core、spin、uart_16550和x86_64等Rust库。实现对串口驱动的封装，方便Rust项目中的打印和调试，代码流程实现如下：
（1） 定义了全局SERIAL变量，用于保存串口驱动实例；
（2） 实现init()初始串口驱动；
（3） 实现receive()从串口中读取一个字符；
（4） 实现Printer结构体，用于辅助打印结构，并实现了Write trait；
（5） 实现print()，将打印信息写入串口；
（6） 实现serial_print!()和serial_println!()两个宏，用于格式化打印信息到串口。
接下来我们在tests/文件夹下进行测试使用serial_println!()函数，我们先从输出特定的字符开始：
首先我们定义了一个字符(默认情况下是不可变的)，接着我们采用serial_println!()将其输出，以下有几个需要注意的点：
（1）在{}前面，把"c:"去掉了( Rust 不支持在代码块上使用标签)。
（2）serial_println前面加上“kernel::” (加kernel::是说从kernel中调用)。
测试结果如下：
PartC：显卡的字符模式与图形模式
练习3：阅读参考资料中使用VGA字符模式打印字符到屏幕的方式，学习函数Writer.write_string()，思考该函数是如何将一个字符串输出到屏幕上的，思考类型Writer的各个数据成员作用。
做个记录，在文本模式下，每个元素被称作字符单元，占显存两个字节大小，每个单元中的低8位表示字符的ASCII编码，高8位定义了字符的显示方式（字体，颜色，亮度，背景色，闪烁），如下图所示：
首先是Writer中各个数据成员的作用，在该结构体中共包含usize, ColorCode, Buffer，或许我们称呼其类型更加容易理解：column_position, color_code, buffer。
Column_position变量将跟踪光标在最后一行的位置。
Color_code变量指定了当前字符的前景和背景色。
Buffer变量为存入的VGA字符缓冲区的可变借用，这里采用了显式生命周期声明了此借用在什么时候有效：’static 生命周期意味着该借用应该在整个程序的运行期间有效。(这对一个全局有效的VGA字符缓冲区来说是非常合理的。)
对于Writer.write_string()函数分析：
在打印字符串的时候，我们是将其转换为字节并依次输出的，以下是输出字节的方式：
如果这个字节是一个换行符（line feed）字节 \n，我们的 Writer 不应该打印新字符，相反，它将调用 new_line ；其它的字节应该将在 match 语句的第二个分支中被打印到屏幕上。
当打印字节时，Writer 将检查当前行是否已满。如果已满，它将首先调用 new_line 方法来将这一行字向上提升，再将一个新的 ScreenChar 写入到缓冲区，最终将当前的光标位置前进一位。
接下来我们填坑new_line方法（即换行），当换行时，我们想要把每个字符向上移动一行，删除最上方的一行，再在最后一行的起始位置继续输出。
此处的实现方法是遍历每个字符，将其位置移动到上方一行的相应位置。这里，“..” 符号是区间标号（range notation）的一种；它表示左闭右开的区间，因此不包含它的上界。在外层的枚举中，我们从第 1 行开始，省略了对第 0 行的枚举过程——因为这一行应该被移出屏幕，即它将被下一行的字符覆写。
我们又用到了clear_row()，即清空一行，向该行中打印满空格字符即可。
然后我们先在qemu的环境下测试以下write的调用是否可行。
实验PartC完成。
PartD:向FrameBuffer中输出字符
最后我们终于来到了boss：向Framebuffer中打印字符。
我们采取的思路是利用test中的字符输出，将所需要输出的像素点转换出来，然后再在framebuffer中进行输出。
先完成以下字符串的输出这个分解操作：将字符串分割成字符，通过.chars()将字符串分割为字符的集合，之后再进行输出字符。
下面是将在test/下原有的chr2pixels移植到kernel/src/fb.rs中，为了方便区分，在fb.rs中的函数我们称其为t1chr2pixels。进行传参、调用等操作处理之后，我们第一步的测试结果如下所示：
因为我们在之前已经实现了buffer的引用（这里是参考教辅老师的一个buffer切片实现）：
需要提前声明的是，我们在FrameBuffer结构体中声明了如下变量：
Buffer_start表示buffer起始的位置，info是沿用的lib.rs中关于FrameBuffer的定义，stride和column_position分别表示的是要写的字符的位置在列/行中的位置。接下来我们定义的是关键内容，buffer，即为我们所在窗口输出文件时需要修改的数组。当我们对于数组中的数据进行修改时，我们所显示在窗口的界面就会相应地发生变化。
接下来我们测试一下，例如，我们将buffer数组的前0x400*0x300部分置为0xAA，那么我们会得到以下内容：
可见qemu模拟器的前置端口都是已经被赋值为灰色了。
下面我们需要了解一下buffer中储存数据的储存格式，buffer里面连续的四个字节就是一个像素的rgb值+透明度，按顺序将获得的像素值逐位赋值，通过实验我们可以知道：
[4k+0]对应的是蓝色，[4k+1]对应的是绿色，[4k+2]对应的是红色，[4k+3]对应的是透明度的选项（但是显然在实现的过程中并没有使用到透明度的设置）。
接着，我们要做的内容就是实现一个字符的打印工作。之前我们在test的过程中通过运用noto_sans_mono_bitmap库中的相关功能，实现了将字符转换为像素矩阵的方法，在make test之后，我们当时所返回的值是对应位置的灰度值，实现将灰度值转换为RGB值的操作就是将灰度值复制三遍然后R,G,B三者均为同一个值，由此我们可得到相应的结果。
实现过程就相对简单了，我们需要将输入的字符通过get_raster()操作之后转换为RasterizedChar格式，然后再仿照test中的输出方法，将相应的内容输出到FrameBuffer的屏幕上(对应修改相应的buffer位置即可)。
每一行有0x400*4个位置，即0x400个像素点，我们需要修改的就是这些内容，因为0x00对应的就是没有信息(也是初始值)，所以我们直接将所在像素点的值RGB均赋为对应的灰度值即可。（对于\n，我们无法输出，采用的方法是判断为’\n’字符后采用换行操作。）
测试结果如下：
可认为我们实现了相应的功能，达到了初步的预期效果。当然，我们接下来要将此功能继续补充完善，应对更多的情况。
首先我们需要补充的是清页功能clear，即将页面上的内容均清空。我们实现的过程相对比较直观，就是将页面上的所有内容全部置为0x00，从而使得页面清空。
测试结果如下：
此外我们实现了字符放大的功能，即记录相对应的blocksz，将原本1x1的像素扩展到3x3的像素，这是正方形的扩展，实现代码如下（须注意，当我们扩展成了3x3之后，原有的偏移offset的计算方式也会有所改变，这里为了方便我们就把这个过程提取出来了）：
测试结果如下：
接着是呈现在窗口中输出两行：
这个的实现是通过修改行的位置来决定的，同时我们编写的代码支持字体大小的变化，字体变大的情况下依然适用：
代码实现为：
下面我们介绍新建一行的函数new_line()：
对于new_line来说我们可以把行号的调整放入new_line()中，不过感觉不如直接写在输出字符部分中直观，所以我就直接写在输出字符的部分了。未来在改进代码的过程中可能会选择将行号调整移动到这里。
建立new_line有两种情况：对于还没写满/窗口已经写满了：对于窗口还没有写满的情况，我们直接清空下面的内容，列号移到下面一行即可（其实不清空也可以）；对于已经写满的情况，将现在的内容向上移动一格，之后再向下写入。具体的实现如下：
最后整个活(bushi)：
实验报告：
一、实验完成情况
已完成所有实验任务，并完成一部分拓展（字体放大，自适应换行等），同时还整了个活（阶梯形）。
先放实验效果截图：
1. 向FrameBuffer中输入字符
2. 实现clear()方法
3. 实现换行，new_line()
4. 字体放大+自适应换行(调整blocksz大小，其实用fontsz更好)
5. 阶梯形输出
6. 输出特定颜色的字符（buffer[4k+0]对应的是蓝色，[4k+1]对应的是绿色，[4k+2]对应的是红色，[4k+3]对应的是透明度）
7.另外地，我们在实现了VGA的字符输出buffer
二、主要代码介绍
代码修改部分：
1. FrameBufferDriver的结构体定义：
pub struct FrameBufferDriver {
// TODO：设计结构体需要的成员
buffer_start: usize,
info: FrameBufferInfo,
stride: usize,
column_position: usize,
buffer: &'static mut [u8],
}
结构体解释:
Buffer_start表示buffer起始的位置，
info是沿用的lib.rs中关于FrameBuffer的定义，
stride和column_position分别表示的是要写的字符的位置在列/行中的位置，
关键内容，buffer，即为我们所在窗口输出文件时需要修改的数组。当我们对于数组中的数据进行修改时，我们所显示在窗口的界面就会相应地发生变化。
这里我们选用对于buffer的定义方式是buffer: &'static mut [u8]，其中&表示是取得一个数组的地址，我们是对数组进行操作；'static表示其声明周期是贯穿全局的，'mut'表明其为可变变量，这也是我们在之后的部分对其进行修改的必要声明。
2. FrameBuffer中的new方法
pub fn new<'a>(_framebuffer: &'a mut FrameBuffer) -> Self {
// TODO：新建FrameBuffer驱动
let buffer_start = _framebuffer.buffer().as_ptr() as usize;
let info = _framebuffer.info().clone();
let stride = info.stride;
let buffer_len = info.byte_len;
let column_position = 0;
let buffer =
unsafe { core::slice::from_raw_parts_mut(buffer_start as *mut u8, buffer_len) };
Self {
buffer_start,
info,
stride,
column_position,
buffer,
}
}
即新建一个FrameBuffer的驱动，我们需要的修改量应该在这里提前声明，对于buffer而言，我们要确定其声明周期在后面调用的稳健性，要拿到里面buffer的可变引用，我们采用的方案是拿到起始地址和长度，自己创建一个buffer：let buffer = unsafe { core::slice::from_raw_parts_mut(buffer_start as *mut u8, buffer_len) }。
3. write_str方法调用
/// 写字符串
pub fn write_str(&mut self, _s: &str) {
// Self::clear()清屏 -> Self::t1chr2pixels()输出单个字符 -> Self::new_line()创建新行
let mut num = 0;
if self.column_position == 0 {
Self::clear(self);
}
for c in _s.chars() {
Self::t1chr2pixels(self, c, num, self.column_position);
num += 1;
}
}
在打印字符串的时候，我们是将其转换为字节并依次输出的，以下是输出字节的方式。
在输出第一个字符串的时候，Self::clear()将屏幕上清空；
之后我们用chars()转换成字符串，之后再取得这个字符串中的字符去输出。在输出的时候，我们需要记录当前输出的位置，即当前的行号和列号，这个我们是存在self中的，在输出字符的时候修改；
在输出字符的时候我们进行判断，是否需要采用new_line()新建一行。
4. 输出字符
/// 写字符
fn t1chr2pixels(&mut self, c: char, num: usize, lie: usize) {
// 待测字符
// 0x400 0x300
{
let blocksz = 1;
//读入到换行符或者字符超了一行的限制之后进行换行操作
if c == '\n' || (9 * blocksz + 9 * blocksz * num) > 0x400 {
//将行的位置偏移加上blocksz
if blocksz > 2 {
self.column_position += (blocksz - 2) * 16;
} else {
self.column_position += 16;
}
//建立一个新行
Self::new_line(self, self.column_position);
return;
}
//serial_println!("print char: {:?}", c);
let rendered_char =
get_raster(c, FONT_WEIGHT, LETTER_HEIGHT).expect("Failed to render a char");
// 打印像素点
// 行是0x400 列是0x300
//serial_println!("");
for (_y, row) in rendered_char.raster().iter().enumerate() {
for (_x, byte) in row.iter().enumerate() {
//serial_print!("{:02x} ", *byte);
//serial_print!("({},{}) ", _y, _x);
for k1 in 0..blocksz + 1 {
for k2 in 0..blocksz + 1 {
//self.buffer[(_y * 0x400 + k1) * blocksz + _x * blocksz + k2] = *byte;
let offset = ((lie + _y) * 0x400 + k1) * blocksz
+ _x * blocksz
+ k2
+ 9 * blocksz * num;
self.buffer[offset * 4 + 0] = *byte;
self.buffer[offset * 4 + 1] = *byte;
self.buffer[offset * 4 + 2] = *byte;
}
}
}
}
};
这个是我们方法的主要实现部分，大体上我们可以划分成两个部分：判断是否换行，并相应调整行号；对于相应的字符，我们输出一定大小的字符。
（1） 判断换行部分
判断换行的条件有两个：建立新行new_line有两种情况：该行已经写满了/读入到换行符，当我们读入相应的符号之后，进行换行的操作。
（2）输出一定大小的字符
输出字符： 我们需要了解一下buffer中储存数据的储存格式，其中连续的四个字节就是一个像素的rgb值+透明度，按顺序将获得的像素值逐位赋值，通过实验我们可以知道：
[4k+0]对应的是蓝色，[4k+1]对应的是绿色，[4k+2]对应的是红色，[4k+3]对应的是透明度的选项（但是显然在实现的过程中并没有使用到透明度的设置）。
接着，我们要做的内容就是实现一个字符的打印工作。之前我们在test的过程中通过运用noto_sans_mono_bitmap库中的相关功能，实现了将字符转换为像素矩阵的方法，在make test之后，我们当时所返回的值是对应位置的灰度值，实现将灰度值转换为RGB值的操作就是将灰度值复制三遍然后R,G,B三者均为同一个值，由此我们可得到相应的结果。
实现过程就相对简单了，我们需要将输入的字符通过get_raster()操作之后转换为RasterizedChar格式，遍历相应的像素点在buffer上的位置，将相应的内容输出到FrameBuffer的屏幕上(对应修改相应的buffer位置即可)。需要注意的是，我们将引用noto_sans_mono_bitmap中的方法的过程中需要的相应变量定义放在了整个方法实现的外面（并非方法私有）。
经测试，每一行有0x4004个位置，即0x400个像素点，我们需要修改的就是这些内容，因为0x00对应的就是没有信息(也是初始值)，所以我们直接将所在像素点的值RGB均赋为对应的灰度值即可。（对于\n，我们无法输出，采用的方法是判断为’\n’字符后采用换行操作。）
修改字符的大小：我们在输出的时候选择的是对于blockszblocksz的像素统一赋值为一个值，这种方法可以比较方便地修改字体的大小。同时，为了方便操作，我们的新建行、换行判断对于放大字体的情况依然是适用的。
5.创建新行new_line()
/// 创建新行
fn new_line(&mut self, lie: usize) {
let blocksz = 1;
//对于窗口还没有写满的情况，我们直接清空下面的内容，列号移到下面一行即可（其实不清空也可以）
if lie < 0x300 {
let limit = 0x400 * 0x300 * 4;
for i in (lie * 0x400 * 4 * 16)..limit {
self.buffer[i] = 0x00;
}
}
//对于已经写满的情况，将现在的内容向上移动一格，之后再向下写入
else {
for _y in 0..(0x300 - 1) {
for _x in 0..0x400 * 4 {
let offset0 = ((_y) * 0x400 + _x) * 4;
let offset1 = ((_y + blocksz) * 0x400 + _x) * 4;
self.buffer[offset0 + 0] = self.buffer[offset1 + 0];
self.buffer[offset0 + 1] = self.buffer[offset1 + 1];
self.buffer[offset0 + 2] = self.buffer[offset1 + 2];
self.buffer[offset0 + 3] = self.buffer[offset1 + 3];
}
}
}
}
对于new_line来说我们可以把行号的调整放入new_line()中，不过感觉不如直接写在输出字符部分中直观，所以我就直接写在输出字符的部分了。未来在改进代码的过程中可能会选择将行号调整移动到这里。
建立new_line有两种情况：对于还没写满/窗口已经写满了：对于窗口还没有写满的情况，我们直接清空下面的内容，列号移到下面一行即可（其实不清空也可以）；对于已经写满的情况，将现在的内容向上移动一格，之后再向下写入。在实现过程中，我们采用了offset的方式来方便编写。
6. 调整字体颜色
这个部分就是将之前的灰度值只赋给三个变量的一个值就可以了，[4k+0]对应的是蓝色，[4k+1]对应的是绿色，[4k+2]对应的是红色，我们选定一个就可以了。
7. 刷新页面
就是循环输出，检测new_line()刷新效果。
附录（源码等）
我们主要修改的是kernel/fb.rs文件。
//! 格式化输出至framebuffer，部分参考bootloader实现
use bootloader_api::info::{FrameBuffer, FrameBufferInfo};
use core::fmt;
use core::fmt::Write;
use spin::{Mutex, Once};
use x86_64::instructions::interrupts;
/// FrameBuffer驱动全局变量
pub static FRAME_BUFFER: Once<Mutex<FrameBufferDriver>> = Once::new();
/// 初始化FrameBuffer驱动
pub fn init<'a>(frame_buffer: &'a mut FrameBuffer) {
serial_println!("[Kernel] {:#x?}", frame_buffer);
// 根据BootInfo传入信息创建FrameBuffer驱动
FRAME_BUFFER.call_once(|| Mutex::new(FrameBufferDriver::new(frame_buffer)));
}
/// 辅助打印结构，主要实现Write trait
struct Printer;
impl Write for Printer {
fn write_str(&mut self, s: &str) -> fmt::Result {
interrupts::without_interrupts(|| {
FRAME_BUFFER
.get()
.and_then(|fb| Some(fb.lock().write_str(s)))
.expect("Uninit frame buffer");
});
Ok(())
}
}
/// 打印至FrameBuffer
pub fn print(args: fmt::Arguments) {
// write_fmt函数在Write trait中定义，因此需要实现Write trait
Printer.write_fmt(args).unwrap();
}
/// 格式化打印至FrameBuffer（无换行）
#[macro_export]
macro_rules! fb_print {
($($arg:tt)*) => {
$crate::driver::fb::print(format_args!($($arg)*))
};
}
/// 格式化打印至FrameBuffer（有换行）
#[macro_export]
macro_rules! fb_println {
() => ($crate::fb_print!("\n"));
($fmt:expr) => ($crate::fb_print!(concat!($fmt, "\n")));
($fmt:expr, $($arg:tt)*) => ($crate::fb_print!(
concat!($fmt, "\n"), $($arg)*));
}
/// FrameBuffer驱动
pub struct FrameBufferDriver {
// TODO：设计结构体需要的成员
column_position: usize,
buffer: &'static mut [u8],
}
/// 引入bitmap
use noto_sans_mono_bitmap::{get_raster, get_raster_width, FontWeight, RasterHeight};
/// 字高
const LETTER_HEIGHT: RasterHeight = RasterHeight::Size16;
/// 字宽
const _LETTER_WIDTH: usize = get_raster_width(FontWeight::Regular, LETTER_HEIGHT);
/// 字体
const FONT_WEIGHT: FontWeight = FontWeight::Regular;
// TODO：设计结构体需要的接口，至少应包括new和write_str（前面的代码调用过）
impl FrameBufferDriver {
/// 创建FrameBuffer驱动
pub fn new<'a>(_framebuffer: &'a mut FrameBuffer) -> Self {
// TODO：新建FrameBuffer驱动
let buffer_start = _framebuffer.buffer().as_ptr() as usize;
let info = _framebuffer.info().clone();
let stride = info.stride;
let buffer_len = info.byte_len;
let column_position = 0;
let buffer =
unsafe { core::slice::from_raw_parts_mut(buffer_start as *mut u8, buffer_len) };
Self {
column_position,
buffer,
}
}
/// 写字符串
pub fn write_str(&mut self, _s: &str) {
// TODO
let mut num = 0;
if self.column_position == 0 {
Self::clear(self);
}
for c in _s.chars() {
Self::t1chr2pixels(self, c, num, self.column_position);
num += 1;
}
}
/// 写字符
fn t1chr2pixels(&mut self, c: char, num: usize, lie: usize) {
// 待测字符
// 0x400 0x300
{
let blocksz = 3;
//读入到换行符或者字符超了一行的限制之后进行换行操作
if c == '\n' || (9 * blocksz + 9 * blocksz * num) > 0x400 {
//将行的位置偏移加上blocksz
if blocksz > 2 {
self.column_position += (blocksz - 2) * 16;
} else {
self.column_position += 16;
}
//建立一个新行
Self::new_line(self, self.column_position);
return;
}
//serial_println!("print char: {:?}", c);
let rendered_char =
get_raster(c, FONT_WEIGHT, LETTER_HEIGHT).expect("Failed to render a char");
// 打印像素点
// 行是0x400 列是0x300
//serial_println!("");
for (_y, row) in rendered_char.raster().iter().enumerate() {
for (_x, byte) in row.iter().enumerate() {
//serial_print!("{:02x} ", *byte);
//serial_print!("({},{}) ", _y, _x);
for k1 in 0..blocksz + 1 {
for k2 in 0..blocksz + 1 {
//self.buffer[(_y * 0x400 + k1) * blocksz + _x * blocksz + k2] = *byte;
let offset = ((lie + _y) * 0x400 + k1) * blocksz
+ _x * blocksz
+ k2
+ 9 * blocksz * num;
self.buffer[offset * 4 + 0] = *byte;
self.buffer[offset * 4 + 1] = *byte;
self.buffer[offset * 4 + 2] = *byte;
}
}
}
}
};
}
/// 创建新行
fn new_line(&mut self, lie: usize) {
let blocksz = 1;
//对于窗口还没有写满的情况，我们直接清空下面的内容，列号移到下面一行即可（其实不清空也可以）
if lie < 0x300 {
let limit = 0x400 * 0x300 * 4;
for i in (lie * 0x400 * 4 * 16)..limit {
self.buffer[i] = 0x00;
}
}
//对于已经写满的情况，将现在的内容向上移动一格，之后再向下写入
else {
for _y in 0..(0x300 - 1) {
for _x in 0..0x400 * 4 {
let offset0 = ((_y) * 0x400 + _x) * 4;
let offset1 = ((_y + blocksz) * 0x400 + _x) * 4;
self.buffer[offset0 + 0] = self.buffer[offset1 + 0];
self.buffer[offset0 + 1] = self.buffer[offset1 + 1];
self.buffer[offset0 + 2] = self.buffer[offset1 + 2];
self.buffer[offset0 + 3] = self.buffer[offset1 + 3];
}
}
}
}
/// 清页
fn clear(&mut self) {
for i in 0..0x400 * 0x300 * 4 {
self.buffer[i] = 0x00;
}
}
}
浙公网安备 33010602011771号