4. 实现VGA字符输出函数

任务目标

在BIOS开发环境中，实现两个核心字符输出函数：putchar（输出单个字符到VGA屏幕）和printf（格式化字符串输出）。本案例聚焦于16位实模式下的VGA文本模式操作，直接操作显存地址0xB8000。

环境与依赖

  • NASM汇编器（用于编译启动扇区）
  • QEMU虚拟机（用于运行验证）
  • 目标平台：x86 16位实模式，VGA文本模式（80×25，黑底白字）

核心实现

以下代码包含完整的putchar和printf实现。光标位置通过BIOS中断INT 0x10维护，字符写入直接映射到显存。格式化支持%d（十进制）、%x（十六进制）、%s（字符串）和%c（字符）。

;------------------------------------------
; VGA字符输出函数 - 完整实现
; 汇编：nasm -f bin vga_print.asm -o vga_print.bin
; 运行：qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=vga_print.bin
;------------------------------------------
BITS 16
ORG 0x7C00

start:
    ; 初始化段寄存器
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    
    ; 清屏（通过滚动窗口实现）
    mov ax, 0x0600
    mov bh, 0x07        ; 黑底白字
    xor cx, cx
    mov dx, 0x184F      ; 80x25
    int 0x10
    
    ; 设置光标到起始位置
    mov ah, 0x02
    xor bh, bh          ; 页码0
    xor dx, dx          ; 行0列0
    int 0x10
    
    ; 测试printf
    mov si, msg_hello
    call printf
    
    mov si, msg_num
    call printf
    mov ax, 12345
    push ax
    mov si, fmt_dec
    call printf
    add sp, 2
    
    mov si, msg_hex
    call printf
    mov ax, 0xABCD
    push ax
    mov si, fmt_hex
    call printf
    add sp, 2
    
    ; 死循环
    cli
    hlt

;------------------------------------------
; putchar - 输出单个字符到VGA
; 输入：AL = 字符ASCII码
; 破坏：AH, BX, CX, DX
;------------------------------------------
putchar:
    pusha
    ; 获取当前光标位置
    mov ah, 0x03
    xor bh, bh
    int 0x10            ; DH=行, DL=列
    
    ; 处理换行符
    cmp al, 0x0A
    je .newline
    cmp al, 0x0D
    je .carriage_return
    
    ; 写入字符到显存
    push ax
    mov ax, 0xB800
    mov es, ax
    pop ax
    
    ; 计算显存偏移 = (行*80 + 列) * 2
    movzx bx, dh
    imul bx, bx, 80
    movzx cx, dl
    add bx, cx
    shl bx, 1
    
    mov ah, 0x07        ; 属性：黑底白字
    mov [es:bx], ax
    
    ; 光标右移
    inc dl
    cmp dl, 80
    jb .set_cursor
    mov dl, 0
    inc dh
    jmp .set_cursor
    
.newline:
    inc dh
    mov dl, 0
    jmp .set_cursor
    
.carriage_return:
    mov dl, 0
    jmp .set_cursor
    
.set_cursor:
    ; 检查是否需要滚动
    cmp dh, 25
    jb .update_cursor
    call scroll_screen
    mov dh, 24
    
.update_cursor:
    mov ah, 0x02
    xor bh, bh
    int 0x10
    popa
    ret

;------------------------------------------
; scroll_screen - 向上滚动一行
;------------------------------------------
scroll_screen:
    pusha
    mov ax, 0x0601      ; AL=1 表示滚动一行
    mov bh, 0x07
    xor cx, cx
    mov dx, 0x184F
    int 0x10
    popa
    ret

;------------------------------------------
; printf - 格式化输出
; 输入：SI = 格式字符串地址
;       参数通过栈传递（从右到左压栈）
; 支持：%d(十进制), %x(十六进制), %s(字符串), %c(字符)
;------------------------------------------
printf:
    pusha
    mov bp, sp
    add bp, 18          ; 跳过pusha的8个寄存器+返回地址
    
.next_char:
    lodsb               ; 加载字符到AL
    test al, al
    jz .done
    
    cmp al, '%'
    jne .print_char
    
    ; 处理格式说明符
    lodsb
    cmp al, 'd'
    je .format_dec
    cmp al, 'x'
    je .format_hex
    cmp al, 's'
    je .format_str
    cmp al, 'c'
    je .format_char
    jmp .print_char
    
.format_dec:
    mov ax, [bp]        ; 获取参数
    add bp, 2
    call print_dec
    jmp .next_char
    
.format_hex:
    mov ax, [bp]
    add bp, 2
    call print_hex
    jmp .next_char
    
.format_str:
    mov si, [bp]        ; 字符串指针
    add bp, 2
    call print_str
    jmp .next_char
    
.format_char:
    mov al, [bp]
    add bp, 2
    call putchar
    jmp .next_char
    
.print_char:
    call putchar
    jmp .next_char
    
.done:
    popa
    ret

;------------------------------------------
; print_dec - 输出十进制数
; 输入：AX = 数值
;------------------------------------------
print_dec:
    pusha
    mov cx, 0           ; 数字计数
    mov bx, 10
    
.div_loop:
    xor dx, dx
    div bx
    push dx             ; 保存余数
    inc cx
    test ax, ax
    jnz .div_loop
    
.print_loop:
    pop ax
    add al, '0'
    call putchar
    loop .print_loop
    
    popa
    ret

;------------------------------------------
; print_hex - 输出十六进制数
; 输入：AX = 数值
;------------------------------------------
print_hex:
    pusha
    mov cx, 4           ; 输出4个十六进制位
    
.hex_loop:
    rol ax, 4
    push ax
    and al, 0x0F
    cmp al, 10
    jb .digit
    add al, 'A' - 10
    jmp .print
.digit:
    add al, '0'
.print:
    call putchar
    pop ax
    loop .hex_loop
    
    popa
    ret

;------------------------------------------
; print_str - 输出字符串
; 输入：SI = 字符串地址
;------------------------------------------
print_str:
    pusha
.str_loop:
    lodsb
    test al, al
    jz .done
    call putchar
    jmp .str_loop
.done:
    popa
    ret

;------------------------------------------
; 数据段
;------------------------------------------
msg_hello   db 'Hello from VGA!', 0x0D, 0x0A, 0
msg_num     db 'Decimal: ', 0
msg_hex     db 'Hex: 0x', 0
fmt_dec     db '%d', 0x0D, 0x0A, 0
fmt_hex     db '%x', 0x0D, 0x0A, 0

times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55

编译与运行

  1. 保存代码为 vga_print.asm
  2. 编译：nasm -f bin vga_print.asm -o vga_print.bin
  3. 运行：qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=vga_print.bin

验证方法

QEMU窗口应显示以下内容（预期输出，由代码逻辑直接推出）：

Hello from VGA!
Decimal: 12345
Hex: 0xABCD

验证通过条件：

  • 三行文本正确显示在QEMU屏幕左上角
  • 十进制数12345正确转换并显示
  • 十六进制数0xABCD以大写字母显示
  • 光标停留在最后一行末尾

关键说明

  • 光标位置通过BIOS中断INT 0x10的AH=0x03（读取）和AH=0x02（设置）维护，确保字符写入位置正确
  • 显存偏移计算公式：(行号 × 80 + 列号) × 2，每个字符占2字节（低字节为ASCII码，高字节为颜色属性）
  • 参数传递约定：printf从栈中按从右到左的顺序取参数，调用前需将参数压栈，调用后由调用者清理栈
  • 换行处理：0x0A（LF）使行号加1并回到列0；0x0D（CR）仅回到列0
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