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Pintos Loader.S 详解（八）：putc 函数

Pintos 引导加载程序中 putc 函数的实现，包括 VGA 输出、串口输出和自修改代码技巧。

发表于
作者 Zxsheather
20 分钟阅读
Pintos Loader.S 详解（八）：putc 函数

概述

putc 函数负责将单个字符输出到两个目标：VGA 显示器和串口。它包含一些有趣的技巧，比如自修改代码和自动换行处理。

原始代码

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#### Character output subroutine.  Prints the character in AL to the
#### VGA display and serial port 0, using BIOS services (see
#### [IntrList]).  Preserves all general-purpose registers.
####
#### If called upon to output a carriage return, this subroutine
#### automatically supplies the following line feed.

putc:	pusha

1:	sub %bh, %bh			# Page 0.
	mov $0x0e, %ah			# Teletype output service.
	int $0x10

	mov $0x01, %ah			# Serial port output service.
	sub %dx, %dx			# Serial port 0.
2:	int $0x14			# Destroys AH.
	test $0x80, %ah			# Output timed out?
	jz 3f
	movw $0x9090, 2b		# Turn "int $0x14" above into NOPs.

3:
	cmp $'\r', %al
	jne popa_ret
	mov $'\n', %al
	jmp 1b

popa_ret:
	popa
	ret				# Error code still in CF

前置知识

VGA 文本模式

在文本模式下，VGA 可以显示 80×25 的字符网格。BIOS 提供了简单的输出服务。

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┌────────────────────────────────────────┐
│ 行 0:  Hello, Pintos!                  │
│ 行 1:  Loading...                      │
│ 行 2:                                  │
│ ...                                    │
│ 行 24:                                 │
└────────────────────────────────────────┘
      80 列

BIOS 视频服务（INT 10h）

AH 值功能
0x00设置视频模式
0x02设置光标位置
0x03获取光标位置
0x0ETeletype 输出（我们使用这个）
0x13写字符串

BIOS 串口服务（INT 14h）

AH 值功能
0x00初始化串口
0x01发送字符（我们使用这个）
0x02接收字符
0x03获取状态

什么是自修改代码？

自修改代码是指程序在运行时修改自己的机器码。这是一种古老但有效的技术，可以：

  • 优化性能
  • 节省空间
  • 实现特殊功能

在现代系统中通常避免使用（安全原因），但在引导加载程序中仍然有用。

逐行详解

第 1 行：保存所有寄存器

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putc:	pusha

pusha（Push All）将所有 8 个通用寄存器压入栈：

  • 顺序：AX, CX, DX, BX, SP, BP, SI, DI
  • 共 16 字节

为什么保存所有寄存器？

  • BIOS 中断可能修改任何寄存器
  • 调用者期望寄存器不变
  • pusha 比单独 push 每个寄存器更节省空间

第 2-4 行：VGA 输出

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1:	sub %bh, %bh			# Page 0.
	mov $0x0e, %ah			# Teletype output service.
	int $0x10

sub %bh, %bh：

  • BH = 0，选择视频页面 0
  • VGA 可以有多个页面，但我们只用第一个

mov $0x0e, %ah：

  • AH = 0x0E，选择 “Teletype output” 服务
  • 这个服务会自动处理光标移动和滚动

int $0x10：

  • 调用 BIOS 视频服务
  • AL 中的字符被显示在当前光标位置
  • 光标自动前进

INT 10h, AH=0Eh 的参数：

寄存器内容
AH0x0E（功能号）
AL要显示的字符
BH页面号（通常 0）
BL前景色（图形模式下使用）

Teletype 输出的特点：

  • 自动处理 \r（回车）、\n（换行）、\b（退格）
  • 自动滚动屏幕
  • 自动换行

第 5-7 行：串口输出

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	mov $0x01, %ah			# Serial port output service.
	sub %dx, %dx			# Serial port 0.
2:	int $0x14			# Destroys AH.

mov $0x01, %ah：

  • AH = 0x01，选择 “发送字符” 服务

sub %dx, %dx：

  • DX = 0，选择串口 0（COM1）

2:：

  • 这是一个局部标签，用于后面的自修改代码

int $0x14：

  • 调用 BIOS 串口服务
  • 将 AL 中的字符发送到串口

INT 14h, AH=01h 的参数：

寄存器内容
AH0x01（功能号）
AL要发送的字符
DX串口号（0-3）

返回值：

  • AH 的位 7 如果为 1，表示超时错误

第 8-10 行：超时处理和自修改代码

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	test $0x80, %ah			# Output timed out?
	jz 3f
	movw $0x9090, 2b		# Turn "int $0x14" above into NOPs.

test $0x80, %ah：

  • 测试 AH 的位 7
  • 如果位 7 = 1，表示串口输出超时

jz 3f：

  • 如果没有超时（位 7 = 0），跳到标签 3 继续

movw $0x9090, 2b：

  • 这是自修改代码！
  • 将 0x9090 写入标签 2: 的位置
  • 0x90 是 NOP（No Operation）指令的操作码
  • 0x9090 = 两个 NOP，刚好覆盖 int $0x14（CD 14，2 字节）

自修改代码详解：

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修改前:                修改后:
2: int $0x14          2: nop
   (CD 14)               nop
                         (90 90)

为什么要这样做？

如果串口不存在或故障，每次尝试输出都会超时。通过把 int $0x14 改成 NOP：

  • 后续调用不再尝试串口输出
  • 避免反复超时等待
  • 大大加快输出速度

这安全吗？

在引导加载程序环境中是安全的：

  • 单处理器
  • 代码在 RAM 中（不是 ROM）
  • 没有代码签名或保护

第 11-15 行：自动换行处理

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3:
	cmp $'\r', %al
	jne popa_ret
	mov $'\n', %al
	jmp 1b

cmp $'\r', %al：

  • 比较 AL 和回车符（0x0D）

jne popa_ret：

  • 如果不是回车符，跳到结束

mov $'\n', %al 和 jmp 1b：

  • 如果是回车符，追加一个换行符
  • 跳回标签 1，再次执行输出

为什么要这样做？

不同系统使用不同的行结束符：

  • Unix/Linux: \n（LF，换行）
  • Mac (旧): \r（CR，回车）
  • Windows: \r\n（CRLF）

通过自动在 \r 后添加 \n，确保在各种终端上都能正确换行。

\r 和 \n 的区别：

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\r (回车): 光标移到行首
\n (换行): 光标移到下一行

单独 \r:        单独 \n:        \r\n 组合:
Hello           Hello           Hello
World           Hello           World
     ^World         ^
     光标在 W       World 覆盖了 Hello

第 16-18 行：返回

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popa_ret:
	popa
	ret				# Error code still in CF

popa：

  • 恢复之前保存的所有寄存器
  • 顺序相反：DI, SI, BP, (跳过 SP), BX, DX, CX, AX

ret：

  • 返回调用者

“Error code still in CF” 注释：

popa 和 ret 都不会修改标志寄存器。如果之前的操作设置了进位标志（如磁盘读取失败），它仍然保持。这个标签被 read_sector 函数共享使用。

执行流程图

flowchart TD
    A["putc: 保存寄存器<br/>(pusha)"] --> B["VGA 输出<br/>(INT 10h)"]
    B --> C["串口输出<br/>(INT 14h)"]
    C --> D{超时?}
    D -->|否| F{是回车 '\\r'?}
    D -->|是| E["自修改代码<br/>禁用串口输出"]
    E --> F
    F -->|否| G["恢复寄存器<br/>(popa)"]
    F -->|是| H["AL = '\\n'<br/>再输出一次"]
    H --> B
    G --> I[ret]

自修改代码深入分析

机器码变化

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原始代码:
地址    机器码    汇编
0x...   CD 14     int $0x14

修改后:
地址    机器码    汇编
0x...   90 90     nop; nop

为什么用两个 NOP？

  • int $0x14 是 2 字节指令（CD 14）
  • 需要用 2 字节来覆盖
  • 90 是单字节 NOP 指令
  • 所以用两个 NOP (90 90)

自修改代码的风险

风险说明在这里是否适用？
多核同步问题其他核可能执行旧代码否（单核引导）
指令缓存问题CPU 缓存可能有旧指令可能，但 8086/8088 无缓存
安全问题可被恶意利用否（引导代码不受保护）
可维护性差代码难以理解是，但空间受限时值得

双输出的好处

同时输出到 VGA 和串口有多个好处：

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│  ┌─────────────┐                    ┌─────────────┐   │
│  │   CPU       │                    │   串口      │───┼──► 调试终端
│  │   运行      │ ──────────────────►│   COM1      │   │
│  │   putc      │        │           └─────────────┘   │
│  └─────────────┘        │                              │
│                         ▼           ┌─────────────┐   │
│                    ┌─────────────┐  │   显示器    │   │
│                    │   VGA       │──┤             │   │
│                    │   控制器    │  └─────────────┘   │
│                    └─────────────┘                     │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

使用场景：

  1. 本地调试：直接看显示器
  2. 远程调试：通过串口连接另一台电脑
  3. 日志记录：串口输出可以重定向到文件
  4. 无头服务器：没有显示器时用串口

常见问题

Q1: 如果 VGA 也出错怎么办？

代码没有检查 VGA 输出错误。通常 VGA 输出不会失败（除非硬件彻底坏了）。

Q2: 为什么不用更高级的 VGA 函数？

INT 10h AH=0Eh（Teletype）是最简单、最兼容的选择。更高级的函数可能需要更多参数或不是所有 BIOS 都支持。

Q3: 串口禁用后能重新启用吗？

不能。自修改代码永久地将 int $0x14 改成了 NOP。要重新启用，需要重新启动。

Q4: 为什么把标签放在 int $0x14 之前？

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2:	int $0x14           # 标签 2 在这
	test $0x80, %ah
	...
	movw $0x9090, 2b    # 修改标签 2 处的代码

标签必须精确地指向要修改的指令。2b 表示”向后（backward）找标签 2”。

Q5: popa 为什么不恢复 SP？

popa 会跳过 SP 的恢复，因为：

  • SP 在 pusha/popa 期间一直在变化
  • 恢复 pusha 时的 SP 值会导致栈混乱
  • x86 的设计就是这样

性能分析

超时的代价

如果串口每次都超时：

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每个字符:
- VGA 输出: ~微秒级
- 串口超时: ~毫秒级（取决于 BIOS）

假设 1000 个字符:
- 没有超时: ~秒级完成
- 每次超时: 可能需要几秒

通过自修改代码禁用串口后，性能回到正常水平。

空间效率

pusha/popa vs 单独 push/pop：

方法指令字节数
pusha1 条1 字节
8 个 push8 条8 字节

节省 7 字节！

练习思考

  1. 如果要支持不同颜色的文本输出，需要如何修改代码？

  2. 自修改代码在现代 CPU 上可能有什么问题？（提示：考虑指令缓存）

  3. 为什么 \r 后面自动加 \n，而不是在源代码中直接写 \r\n？

  4. 如果串口输出成功后又开始超时，会发生什么？

  5. 能否用条件跳转代替自修改代码？有什么优缺点？

练习答案

点击查看答案 1

支持不同颜色需要修改 INT 10h 调用：

# 新的 putc 函数，支持颜色
# AL = 字符，BL = 颜色属性
putc_color:
    pusha
    
    # VGA 输出
    mov $0x0e, %ah          # Teletype 输出
    mov $0, %bh             # 页面 0
    # BL 已包含颜色
    int $0x10
    
    # ... 串口输出 ...

颜色属性字节：

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位 7:   闪烁
位 6-4: 背景色 (0-7)
位 3:   高亮度
位 2-0: 前景色 (0-7)

示例：
0x07 = 白字黑底（默认）
0x04 = 红字黑底
0x0C = 亮红字黑底
0x1F = 白字蓝底

注意：Teletype 输出 (AH=0Eh) 在文本模式下不一定支持颜色，可能需要使用 AH=09h（写字符和属性）。

点击查看答案 2

自修改代码在现代 CPU 上的问题：

  1. 指令缓存不一致：
    • 现代 CPU 有独立的指令缓存 (I-Cache) 和数据缓存 (D-Cache)
    • 修改代码写入 D-Cache
    • I-Cache 可能仍然包含旧代码
    • 结果：执行的可能是旧代码！
  2. 解决方案：
    # 修改代码后刷新缓存
movw $0x9090, 2b
wbinvd              # 写回并无效化缓存
# 或者
cpuid               # 序列化指令
  3. 在引导阶段为什么没问题：
    • 实模式下，很多老 CPU 没有缓存
    • 这段代码很短，可能全部在 L1 缓存行内
    • 写入同一缓存行可能触发自动刷新
    • BIOS/引导环境通常缓存配置简单
  4. 现代最佳实践：
    • 避免自修改代码
    • 使用条件跳转或函数指针
点击查看答案 3

\r 后自动加 \n 的原因：

  1. 节省字符串空间：
    • 每次写 \r\n 需要 2 字节
    • 如果有 5 个换行，节省 5 字节
    • 在 512 字节限制下很有价值
  2. 历史原因：
    • \r (CR) = 回车，光标移到行首
    • \n (LF) = 换行，光标移到下一行
    • 在老式电传打字机上是两个独立操作
    • DOS/Windows 使用 \r\n
    • Unix/Linux 只使用 \n
  3. 代码逻辑：
    cmp $'\r', %al      # 是回车吗？
jne popa_ret        # 不是，返回
mov $'\n', %al      # 是，改为换行
jmp 1b              # 再输出一次

    这样写 \r 就自动变成 \r\n。

点击查看答案 4

如果串口输出成功后又开始超时，串口输出已经被禁用，不会再尝试！

原因：

  1. 自修改代码是永久性的
  2. int $0x14 已经被改成 nop nop
  3. 后续所有调用都不会执行串口输出

场景分析：

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时间线：
1. 输出 'P' - 串口正常
2. 输出 'i' - 串口正常
3. 串口线被拔掉
4. 输出 'n' - 超时，禁用串口
5. 输出 't','o','s' - 只有 VGA，没有串口
6. 串口重新连接
7. 输出后续字符 - 仍然没有串口（已被永久禁用）

这是设计折衷：

  • 优点：避免反复超时耗时
  • 缺点：不能自动恢复
  • 对于引导过程，这是可接受的
点击查看答案 5

用条件跳转代替自修改代码：

# 使用标志变量的版本
serial_disabled: .byte 0    # 标志：0=启用, 1=禁用

putc:
    pusha
    
    # VGA 输出...
    
    # 检查串口是否禁用
    cmpb $0, serial_disabled
    jne skip_serial
    
    # 尝试串口输出
    mov $0x01, %ah
    sub %dx, %dx
    int $0x14
    test $0x80, %ah
    jz skip_serial
    movb $1, serial_disabled  # 设置禁用标志
    
skip_serial:
    # ... 继续 ...

比较：

方面自修改代码条件跳转
代码大小较小较大（需要存储标志）
每次开销0 条指令（NOP）2-3 条指令（cmp + jne）
可读性差好
可恢复性不能可以清除标志
缓存安全可能有问题安全
现代性不推荐推荐

在 512 字节限制下，自修改代码是合理的选择。

代码复习

完整的 putc 函数，带详细注释：

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# 输出单个字符到 VGA 和串口
# 参数: AL = 要输出的字符
# 保留所有通用寄存器
# 如果输出 '\r'，自动追加 '\n'

putc:
    pusha                       # 保存所有寄存器

1:  sub %bh, %bh                # VGA 页面 0
    mov $0x0e, %ah              # Teletype 输出
    int $0x10                   # BIOS 视频服务

    mov $0x01, %ah              # 串口发送
    sub %dx, %dx                # 串口 0 (COM1)
2:  int $0x14                   # BIOS 串口服务
    test $0x80, %ah             # 检查超时
    jz 3f                       # 没超时，继续
    movw $0x9090, 2b            # 超时！禁用串口输出

3:  cmp $'\r', %al              # 是回车符？
    jne popa_ret                # 不是，返回
    mov $'\n', %al              # 是，追加换行
    jmp 1b                      # 再输出一次

popa_ret:
    popa                        # 恢复所有寄存器
    ret

下一部分

read_sector 函数是最后一个重要的辅助函数，负责从磁盘读取扇区。请参阅下一篇文章。

技术, Pintos
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本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权