Lab 013 · 让内核在屏幕上说话:帧缓冲 + 字体 + 控制台

配套章节:013 · 把字写到屏幕上、013b · 文本控制台与 kprintf 双输出。这一关给你目标和约束,不贴答案——从「显存映射不进来」一路做到「kprintf 同时在串口和屏幕上说话」。

实验目标

一条主线:让内核的输出第一次出现在屏幕上。具体拆成几个能独立验证的子目标:

1. 显存能访问:bootloader 给你的那块物理帧缓冲,你能映射进内核虚拟地址、写一个像素屏幕就亮。
2. 字体能画:内置一个点阵字体,能把任意一个字符画成屏幕上的像素块。
3. 有文本网格:在像素之上盖一层「行 × 列」的控制台,会换行、会滚动,光标走得对。
4. kprintf 双输出:kprintf 每产出一个字符,同时进串口和屏幕,不用改格式化引擎。

做完这四条,内核就有了「脸」:开机就能在屏幕上看见诊断信息刷出来。

前置条件

你得先过 Lab 012:kprintf 的格式化引擎已经抽成回调式、-O2(Release)内核起得来。这一关要在 012 那个回调引擎上「加第二个输出后端」,引擎本身不动——如果 012 的引擎没抽干净、还和串口耦合在一起,这关第一步就会卡。

另外,这一关依赖 bootloader 已经切到图形模式、把帧缓冲情报塞进了 BootInfo(物理 0x7000)。VBE 模式切换那一套(实模式 INT 0x10)不是这关的活,假定它已经就位、BootInfo 里的 fb_addr/fb_width/fb_height/fb_pitch/fb_bpp 都有效。

任务分解

第一步:把帧缓冲映射进来。 这是最容易翻车的一步。fb_addr 是物理地址,内核跑在虚拟地址空间,直接解引用会 page fault。你要写一个最小的页表助手,在 bootloader 留下的页表里补条目,把 [fb_addr, fb_addr+size) 这段物理内存映射成「虚拟地址 == 物理地址」(恒等映射),这样后面才能拿 fb_addr 当虚拟地址用。

提示几个要点:

• 你得知道 bootloader 把页目录(PD)、页目录指针表(PDPT)放在哪个虚拟地址,才能摸进去改表项。这是个写死的约定,脆弱但此刻够用。
• 映射用大页,别用 4KB 页(帧缓冲动辄几 MB,4KB 页条目太多)。物理地址 <1GB 的部分用 2MB 大页(PD 表项,记得 PS 位置 1),≥1GB 的部分用 1GB 大页(PDPT 表项,且得先 CPUID 探测 CPU 支不支持 1GB 页)。
• 每补一条 2MB 页表项,记得作废那条地址的 TLB;1GB 页改完,整体刷新 CR3。
• 别覆盖已有的表项(只补空位),免得破坏 bootloader 已经建好的映射。

第二步:写 framebuffer 驱动。 映射好了之后,帧缓冲就是个 uint32_t 数组。实现 init(BootInfo)(调你第一步的映射、存基地址和尺寸)、put_pixel(x,y,argb)、get_pixel、fill_rect、clear。关键就一个下标公式:第 y 行第 x 个像素在 addr_[y * (pitch/4) + x]——用 pitch 不是 width,除以 4 是因为 pitch 是字节数而下标按 32 位单元计。再实现一个 scroll_up,把整块显存当字节数组往上搬 N 行、清底部空带(这一步后面控制台滚动要用)。

第三步:内置字体并画字。 字体用 PSF2 格式。你可以用脚本生成一个 8×16、256 字形的 PSF2 文件(经典 IBM PC CP437 点阵),然后用汇编 .incbin 把这个二进制嵌进内核 .rodata、导出起止符号。C++ 侧解析 PSF2 header(先校验魔数 0x864AB572),拿到字形数据指针和宽高。画字时逐行取 1 字节、逐位判断:(bits >> (7-col)) & 1 为 1 画前景、为 0 画背景。注意这套逐字节取位只对宽度 ≤ 8 的字体成立,边界要心里有数。

第四步:盖一层文本控制台。 在 framebuffer + 字体之上实现 Console,状态就是光标 (row, col) 加屏幕能容下的 (rows, cols)。init 时 cols = fb.width()/font.width()、rows = fb.height()/font.height(),然后清屏。putc 是个状态机:\n 换行(到最后一行就滚动)、\r 回行首、\b 退格(行首则退到上一行末)、可打印字符画出来并推进光标(到右边界先换行)。滚动直接委托给第二步的 fb.scroll_up,传一个字高进去。

第五步:接上 kprintf 双输出。 回头看 012 的 kprintf:格式化引擎只认一个「输出单字符」的回调,当时回调是喂串口。现在把它升级成「一组回调」:维护一张最多 8 路的 sink 表,每项是「函数指针 + void* 上下文」。kprintf 每产出一个字符,遍历整张表逐个分发。格式化引擎一行不改——只把那个回调体从「喂串口」换成「遍历 sink 表」。然后 kprintf_init 注册串口为第一路,main 里 console 建好后注册 console 为第二路。

接口约束

你要实现出来的东西,对外长这样(只给职责和签名,不给实现):

• arch::map_mmio(uint64_t phys, uint64_t size):把一段物理内存恒等映射进内核虚拟地址,用大页。最小助手,不做权限/并发管理。
• Framebuffer:init(const BootInfo&)、put_pixel(x,y,argb)、get_pixel(x,y)、fill_rect(x,y,w,h,argb)、scroll_up(lines, line_height, bg)、clear(argb=0),以及 width()/height()/pitch() 访问器。像素格式 32bpp 0x00RRGGBB。
• PSFFont:init()(解析嵌入的 PSF2)、render_char(fb, c, x, y, fg, bg)、width()/height()。
• Console:init(fb, font, fg, bg)、putc(char)、clear()、set_color(fg,bg),以及一个静态 sink 适配 console_sink_adapter(char, void* ctx)。
• kprintf 侧:using OutputSink = void(*)(char, void*)、kprintf_register_sink(OutputSink, void* ctx)(最多 8 路),kprintf/kvprintf/kpanic 遍历所有 sink 分发。

验证步骤

纯算术(下标公式、越界、PSF2 解析、光标状态机),host 单测镜像着测,不依赖 QEMU:

ctest --test-dir build -R 'font|framebuffer|console' --output-on-failure

注意这批单测是把你驱动里的公式抄一份到测试里测,不是直接调内核代码(内核代码在 host 上跑不起来)。它们绿,只代表算术对。

真硬件(显存映射、VBE 模式、字体真渲染)必须 QEMU 里验,用带测试钩子的内核:

cmake --build build --target run-big-kernel-test

机内测会:从 BootInfo 初始化 framebuffer 并断言 1024×768、pitch 合理;put_pixel 写一个像素、get_pixel 读回来一致、邻像素不受影响(这一条同时验证了显存真的映射进来了);字体渲染、console putc 与滚动。

想直接看「双输出」效果,make run 起来,留意那句 Console initialised -- dual output active.——它同时出现在串口和屏幕上,就说明 fan-out 通了。

常见故障

• 屏幕一直黑、串口有输出:几乎总是装配顺序断了。沿依赖链倒查——kprintf_init(串口)→ fb.init → font.init → console.init → register_sink(console),缺一不可。最阴的情况:register_sink 调了,但 console 的 fb_ 还是 nullptr(fb 没 init),putc 开头的 nullptr 检查静默吞掉字符,不崩也不显示。
• 第一个 put_pixel 就 page fault:显存没映射进来。先 kprintf 打出 fb_addr 看它在哪——如果是几 GB 开外的高地址,说明你得靠 1GB 大页那条路映射,检查 CPUID 探测和 PDPT 表项有没有真写进去。
• 画面歪斜、整体错位:下标公式用了 width 而不是 pitch,或者漏了 pitch/4 的除法。
• 滚一次屏画面花了:scroll_up 搬运的字节数算错(该用 (height-lines)*pitch,不是 (height-lines)*width*4),或清底部空带的高度传错。
• 字符只画出左半截 / 乱码:字体宽度超过 8 但 render_char 还按「每行 1 字节」取位;或 PSF2 魔数没校验、header 字段解析错,字形指针偏了。
• kprintf 屏幕这路没反应:console sink 没注册,或注册了但传的 ctx 不是那个 console 实例(回调里 static_cast 回来的是错的指针)。

通过标准

1. host 单测全绿:下标公式、越界判断、PSF2 解析、光标/换行/滚动状态机都对。
2. QEMU 机内测通过:从 BootInfo 初始化出 1024×768、像素写进去读得回来、字体能画、console 能写能滚。
3. kprintf 双输出成立:dual output active 之后,诊断信息串口和屏幕同步,格式化引擎未被改动(还是 012 那份回调式引擎,只是输出分派从「单路」变成「多路 fan-out」)。
4. 装配顺序正确:fb、font、console 的初始化和 sink 注册严格按依赖链排,任何一环提前都会让你马上知道(黑屏或 page fault,而不是安静地错)。

做到这四条,内核就第一次有了「脸」——能在屏幕上说话了。但你会发现它还不会听:键盘敲进去的字符它一个都收不到。那是最先被接上真 handler 的输入设备,也是下一关的活。