59、深入探索BIOS级编程：从键盘输入到视频编程

深入探索BIOS级编程：从键盘输入到视频编程

1. 引言

在计算机编程的历史长河中，早期的程序员们热衷于深入了解计算机硬件，直接与之交互。如今，我们也能加入这个行列，在BIOS（基本输入 - 输出系统）层面开展工作。这些知识并非过时，对于嵌入式系统应用开发或者想要了解计算机BIOS设计的人来说，具有重要价值。

为确保与本章程序完全兼容，建议安装早期版本的Windows，如Windows 95或Windows 98。也可以使用软件工具在计算机上创建虚拟机进行实验。本章的所有程序均为16位实模式应用程序，可在Windows XP及更早版本的Microsoft Windows中开发和运行。通过学习，你将掌握以下实用技能：
- 了解按下键盘按键时的具体情况以及字符的最终去向。
- 学会检查键盘缓冲区是否有字符等待，并清除旧的按键记录。
- 掌握读取非ASCII键盘按键（如功能键和光标箭头）的方法。
- 学会显示彩色文本，并理解颜色基于视频显示的RGB颜色混合系统的原理。
- 掌握将屏幕划分为彩色面板并分别滚动的方法。
- 学会绘制256色的位图图形。
- 掌握检测鼠标移动和鼠标点击的方法。

2. BIOS数据区

BIOS数据区包含了ROM BIOS服务例程使用的系统数据。部分BIOS数据区内容如下表所示：
| 十六进制偏移量 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 0000 – 0007 | 端口地址，COM1 – COM4 |
| 0008 – 000F | 端口地址，LPT1 – LPT4 |
| 0010 – 0011 | 已安装的硬件列表 |
| 0012 | 初始化标志 |
| 0013 – 0014 | 内存大小（以千字节为单位） |
| 0015 – 0016 | I/O通道中的内存 |
| 0017 – 0018 | 键盘状态标志 |
| 0019 | 备用键输入存储 |
| 001A – 001B | 键盘缓冲区指针（头） |
| 001C – 001D | 键盘缓冲区指针（尾） |
| 001E – 003D | 键盘预输入缓冲区 |
| 003E – 0048 | 软盘数据区 |
| 0049 | 当前视频模式 |
| 004A – 004B | 屏幕列数 |
| 004C – 004D | 再生（视频）缓冲区长度（以字节为单位） |
| 004E – 004F | 再生（视频）缓冲区起始偏移量 |
| 0050 – 005F | 视频页面1 - 8的光标位置 |
| 0060 | 光标结束行 |
| 0061 | 光标起始行 |
| 0062 | 当前显示的视频页面编号 |
| 0063 – 0064 | 活动显示基地址 |
| 0065 | CRT模式寄存器 |
| 0066 | 彩色图形适配器寄存器 |
| 0067 – 006B | 磁带数据区 |
| 006C – 0070 | 定时器数据区 |

例如，键盘预输入缓冲区（偏移量为001Eh）包含等待BIOS处理的按键的ASCII码和键盘扫描码。

3. 使用INT 16h进行键盘输入

3.1 键盘工作原理

键盘输入从键盘控制器芯片开始，最终将字符放入键盘预输入缓冲区。由于每个按键产生2个字节（ASCII码 + 扫描码），缓冲区最多可容纳15个按键。当用户按下按键时，会发生以下事件：
1. 键盘控制器芯片向PC的键盘输入端口发送8位数字扫描码（sc）。
2. 输入端口触发中断，向CPU发送预定义信号，表明输入 - 输出设备需要关注。CPU响应并执行INT 9h服务例程。
3. INT 9h服务例程从输入端口获取键盘扫描码（sc），查找对应的ASCII码（ac）（如果有），并将扫描码和ASCII码插入键盘预输入缓冲区。如果扫描码没有匹配的ASCII码，预输入缓冲区中该键的ASCII码为零或E0h。

在MS - Windows下，部分扩展键按下时的ASCII码如下表所示：
| 按键 | ASCII码 |
| ---- | ---- |
| Ins, Del, PageUp, PageDown, Home, End, Up arrow, Down arrow, Left arrow, Right arrow | E0h |
| 功能键（F1 – F12） | 00h |

一旦扫描码和ASCII码安全地存入预输入缓冲区，它们将一直保留，直到当前运行的程序将其取出。在实模式应用程序中，有两种方法可以实现这一点：
- 调用BIOS级函数INT 16h，从键盘预输入缓冲区中获取扫描码和ASCII码。这在处理无ASCII码的扩展键（如功能键和光标箭头）时非常有用。
- 调用MS - DOS级函数INT 21h，从输入缓冲区中获取ASCII码。如果按下了扩展键，需要再次调用INT 21h以获取扫描码。

3.2 INT 16h函数

INT 16h在键盘处理方面比INT 21h具有明显优势。它可以一步获取扫描码和ASCII码，并且具有设置键盘重复率和获取键盘标志状态等额外操作。以下是一些常用的INT 16h函数：

设置键盘重复率（03h）
该函数可设置键盘按键重复率。当按住按键时，按键开始重复前会有250到1000毫秒的延迟，重复率范围为1Fh（最慢）到0（最快）。
| 描述 | 接收参数 | 返回值 | 示例调用 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 设置键盘重复率 | AH = 3，AL = 5，BH = 重复延迟（0 = 250 ms；1 = 500 ms；2 = 750 ms；3 = 1000 ms），BL = 重复率：0 = 最快（30/秒），1Fh = 最慢（2/秒） | 无 | mov ax,0305h
mov bh,1 ; 500 ms重复延迟
mov bl,0Fh ; 重复率
int 16h |

将按键推入键盘缓冲区（05h）
该函数可将按键（由8位ASCII码和8位键盘扫描码组成）推入键盘预输入缓冲区。
| 描述 | 接收参数 | 返回值 | 示例调用 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 将按键推入键盘缓冲区 | AH = 5，CH = 扫描码，CL = ASCII码 | 如果预输入缓冲区已满，CF = 1且AL = 1；否则，CF = 0，AL = 0。 | mov ah,5
mov ch,3Bh ; F1键的扫描码
mov cl,0 ; ASCII码
int 16h |

等待按键（10h）
该函数从键盘预输入缓冲区中移除下一个可用按键。如果没有按键等待，键盘处理程序将等待用户按下按键。
| 描述 | 接收参数 | 返回值 | 示例调用 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 等待按键并扫描键盘 | AH = 10h | AH = 键盘扫描码，AL = ASCII码 | mov ah,10h
int 16h
mov scanCode,ah
mov ASCIICode,al |

以下是一个使用INT 16h输入按键并显示每个按键的ASCII码和扫描码的示例程序，当按下Esc键时程序终止：

TITLE Keyboard Display           (Keybd.asm)
; This program displays keyboard scan codes
; and ASCII codes, using INT 16h.
INCLUDE Irvine16.inc
.code
main PROC
mov
ax,@data
mov
ds,ax
call
ClrScr
; clear screen
L1:
mov
ah,10h
; keyboard input
int
16h
; using BIOS
call
DumpRegs
; AH = scan, AL = ASCII
cmp
al,1Bh
; ESC key pressed?
jne
L1
; no: repeat the loop
call
ClrScr
; clear screen
exit
main ENDP
END main

检查键盘缓冲区（11h）
该函数可查看键盘预输入缓冲区中是否有按键等待，返回下一个可用按键的ASCII码和扫描码（如果有），但不会从缓冲区中移除该按键。
| 描述 | 接收参数 | 返回值 | 示例调用 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 检查键盘缓冲区 | AH = 11h | 如果有按键等待，ZF = 0，AH = 扫描码，AL = ASCII码；否则，ZF = 1。 | mov ah,11h
int 16h
jz NoKeyWaiting ; 缓冲区无按键
mov scanCode,ah
mov ASCIICode,al |

获取键盘标志（12h）
该函数返回当前键盘标志的有价值信息。键盘标志位于BIOS数据区的00417h - 00418h地址处。
| 描述 | 接收参数 | 返回值 | 示例调用 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 获取键盘标志 | AH = 12h | AX = 键盘标志的副本 | mov ah,12h
int 16h
mov keyFlags,ax |

键盘标志能反映用户使用键盘的情况，例如用户是否按下了左Shift键、右Shift键或Alt键等。每个位为1表示对应的键当前被按下或处于切换开启状态（如Caps lock、Scroll lock、Num lock和Insert）。在Windows 95和98中，也可以通过直接读取段地址为0040h、偏移量为17h - 18h的内存来获取键盘标志字节。

清除键盘缓冲区
程序通常有一个处理循环，只能被预先安排的按键中断。例如，基于DOS的游戏程序在显示图形图像的同时，会检查键盘缓冲区是否按下了箭头键和其他特殊键。用户可能按下许多无关按键，这些按键只会填满键盘预输入缓冲区，但当按下正确的按键时，程序应立即响应命令。

以下是一个名为ClearKeyboard的程序示例，使用循环清除键盘缓冲区，同时检查特定的键盘扫描码：

TITLE Testing ClearKeyboard       (ClearKbd.asm)
; This program shows how to clear the keyboard
; buffer while waiting for a particular key.
; To test it, rapidly press random keys to fill
; up the buffer. When you press Esc, the program 
; ends immediately.
INCLUDE Irvine16.inc
ClearKeyboard PROTO, scanCode:BYTE
ESC_key = 1
; scan code
.code
main PROC
L1:
; Display a dot, to show program's progress
mov
ah,2
mov
dl,'.'
int
21h
mov
eax,300
; delay for 300 ms
call
Delay
INVOKE ClearKeyboard, ESC_key
; check for Esc key
jnz
L1
; continue loop if ZF=0
quit:
call
Clrscr
exit
main ENDP
;---------------------------------------------------
ClearKeyboard PROC,
scanCode:BYTE
;
; Clears the keyboard while checking for a
; particular scan code.
; Receives: keyboard scan code
; Returns: Zero flag set if the ASCII code is
; found; otherwise, Zero flag is clear.
;---------------------------------------------------
push
ax
L1:
mov
ah,11h
; check keyboard buffer
int
16h
; any key pressed?
jz
noKey
; no: exit now
mov
ah,10h
; yes: remove from buffer
int
16h
cmp
ah,scanCode
; was it the exit key?
je
quit
; yes: exit now (ZF=1)
jmp
L1
; no: check buffer again
noKey:
; no key pressed
or
al,1
; clear zero flag
quit:
pop
ax
ret
ClearKeyboard ENDP
END main

该程序每300毫秒在屏幕上显示一个点。测试时，快速按下随机按键填充缓冲区，当按下Esc键时，程序立即结束。

3.3 键盘输入部分小结

通过以上内容，我们了解了键盘的工作原理、INT 16h函数的使用方法，包括设置键盘重复率、将按键推入缓冲区、等待按键、检查缓冲区和获取键盘标志等。同时，还学习了如何清除键盘缓冲区以确保程序能及时响应特定按键。这些知识为我们在BIOS层面处理键盘输入提供了强大的工具。

4. 使用INT 10h进行视频编程

4.1 基本背景

当应用程序需要在文本模式下在屏幕上写入字符时，可以选择以下三种输出方式：
- MS - DOS级访问 ：任何运行或模拟MS - DOS的计算机都可以使用INT 21h将文本写入视频显示器。输入/输出可以轻松重定向到其他设备（如打印机或磁盘），但输出速度较慢，且无法控制文本颜色。
- BIOS级访问 ：使用INT 10h函数输出字符，即BIOS服务。执行速度比INT 21h快，并且可以指定文本颜色。在填充大的屏幕区域时，通常会检测到轻微延迟，输出无法重定向。
- 直接视频内存访问 ：将字符直接移动到视频RAM，执行瞬间完成，输出无法重定向。在MS - DOS时代，文字处理器和电子表格程序都使用这种方法。在Windows NT、2000、XP及更高版本中，此方法仅限于全屏模式。

应用程序根据自身需求选择不同的访问级别。对性能要求最高的程序选择直接视频访问；其他程序选择BIOS级访问。当输出可能需要重定向或屏幕需要与其他程序共享时，使用MS - DOS级访问。需要注意的是，MS - DOS中断使用BIOS级例程来完成工作，而BIOS例程使用直接视频访问来产生输出。

4.2 全屏模式运行程序

使用视频BIOS绘制图形的程序应在以下环境之一中执行：
- 纯MS - DOS
- Linux下的DOS模拟器
- MS - Windows的全屏模式

在MS - Windows中，有几种方法可以切换到全屏模式：
- 在Windows XP中，为程序的EXE文件创建快捷方式，打开快捷方式的属性对话框，选择“选项”，在“显示选项”组中选择“全屏模式”。（注意：Windows Vista不支持以全屏模式运行16位EXE程序。）
- 从“开始”菜单打开命令窗口，按Alt - Enter切换到全屏模式。使用CD（更改目录）命令导航到EXE文件所在目录，输入程序名称运行。Alt - Enter是一个切换键，再次按下将程序返回窗口模式。

4.3 理解视频文本

在基于Intel的系统中，有两种基本的视频模式：文本模式和图形模式。程序只能在一种模式下运行，不能同时运行两种模式：
- 文本模式 ：程序向屏幕写入ASCII字符，BIOS中的内置字符生成器为每个字符生成位图图像。在文本模式下，程序无法绘制任意线条和形状。
- 图形模式 ：程序控制每个屏幕像素的外观。操作相对原始，因为没有内置的线条和形状绘制函数。可以使用内置函数在图形模式下向屏幕写入文本，也可以用不同的字体替换内置字体。MS - Windows提供了一组用于在图形模式下绘制形状和线条的函数。

当计算机在MS - DOS下启动时，视频控制器设置为视频模式3（彩色文本，默认80列×25行）。在文本模式下，行从屏幕顶部开始编号，从0开始；列从屏幕左侧开始编号，从0开始。每行的高度为当前活动字体的字符单元格高度，每列的宽度为字符单元格宽度。

4.4 字体

字符由内存中的字符字体表生成。BIOS允许程序在运行时重写字符表，从而显示自定义字体。

通过以上内容，我们对使用INT 10h进行视频编程有了初步了解，包括不同的访问级别、全屏模式的运行方法、视频文本模式以及字体相关知识。这些知识为进一步深入学习视频编程奠定了基础。

深入探索BIOS级编程：从键盘输入到视频编程

5. INT 10h视频编程的具体功能

5.1 控制颜色

在BIOS级访问中，使用INT 10h可以控制文本的颜色。这是基于视频显示的RGB颜色混合系统。通过设置相应的参数，可以指定文本的前景色和背景色。例如，某些INT 10h的功能可以接收颜色参数，从而实现不同颜色文本的显示。

5.2 INT 10h视频函数

INT 10h有许多强大的视频函数，以下是一些常见的函数及其功能：
| 功能 | 描述 | 接收参数 | 返回值 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 设置光标位置 | 将光标移动到指定的屏幕位置 | AH = 02h，BH = 视频页面号，DH = 行号，DL = 列号 | 无 |
| 显示字符 | 在当前光标位置显示字符 | AH = 0Eh，AL = 字符的ASCII码，BH = 视频页面号，BL = 前景色 | 无 |
| 设置视频模式 | 切换到指定的视频模式 | AH = 00h，AL = 视频模式编号 | 无 |

以下是一个使用INT 10h显示字符的示例代码：

TITLE Display Character with INT 10h (DisplayChar.asm)
INCLUDE Irvine16.inc
.code
main PROC
    mov ax, @data
    mov ds, ax
    mov ah, 00h ; 设置视频模式为彩色文本模式
    mov al, 03h
    int 10h
    mov ah, 02h ; 设置光标位置到第10行，第20列
    mov bh, 0
    mov dh, 10
    mov dl, 20
    int 10h
    mov ah, 0Eh ; 显示字符 'A'
    mov al, 'A'
    mov bh, 0
    mov bl, 0Fh ; 白色前景色
    int 10h
    exit
main ENDP
END main

5.3 库过程示例

在实际编程中，我们可以创建一些库过程来简化INT 10h的使用。例如，创建一个过程用于在指定位置显示字符串：

; 显示字符串过程
DisplayString PROC,
    stringPtr: PTR BYTE,
    row: BYTE,
    col: BYTE
    push ax
    push bx
    push dx
    mov ah, 02h ; 设置光标位置
    mov bh, 0
    mov dh, row
    mov dl, col
    int 10h
    mov si, stringPtr
ShowCharLoop:
    lodsb
    cmp al, 0
    je EndShowChar
    mov ah, 0Eh ; 显示字符
    mov bh, 0
    mov bl, 0Fh ; 白色前景色
    int 10h
    jmp ShowCharLoop
EndShowChar:
    pop dx
    pop bx
    pop ax
    ret
DisplayString ENDP

6. 使用INT 10h绘制图形

6.1 INT 10h像素相关函数

INT 10h提供了一些与像素相关的函数，用于在图形模式下绘制图形。例如，设置像素颜色和读取像素颜色的函数：
| 功能 | 描述 | 接收参数 | 返回值 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 设置像素颜色 | 在指定位置设置像素的颜色 | AH = 0Ch，AL = 颜色值，CX = 列号，DX = 行号 | 无 |
| 读取像素颜色 | 读取指定位置像素的颜色 | AH = 0Dh，CX = 列号，DX = 行号 | AL = 像素颜色值 |

以下是一个使用INT 10h设置像素颜色的示例代码：

TITLE Set Pixel Color with INT 10h (SetPixel.asm)
INCLUDE Irvine16.inc
.code
main PROC
    mov ax, @data
    mov ds, ax
    mov ah, 00h ; 设置视频模式为图形模式
    mov al, 13h ; 320x200, 256色模式
    int 10h
    mov ah, 0Ch ; 设置像素颜色
    mov al, 0Fh ; 白色
    mov cx, 100
    mov dx, 100
    int 10h
    mov ah, 00h ; 恢复到文本模式
    mov al, 03h
    int 10h
    exit
main ENDP
END main

6.2 DrawLine程序

为了绘制线条，我们可以编写一个DrawLine程序。以下是一个简单的绘制直线的算法示例：

; DrawLine过程
DrawLine PROC,
    x1: WORD,
    y1: WORD,
    x2: WORD,
    y2: WORD,
    color: BYTE
    push ax
    push bx
    push cx
    push dx
    mov ax, x1
    mov bx, y1
    mov cx, x2
    mov dx, y2
    mov al, color
DrawLoop:
    mov ah, 0Ch ; 设置像素颜色
    int 10h
    ; 简单的直线绘制算法，这里只是示例，可根据需要优化
    cmp ax, cx
    je CheckY
    inc ax
    jmp DrawLoop
CheckY:
    cmp bx, dx
    je EndDraw
    inc bx
    jmp DrawLoop
EndDraw:
    pop dx
    pop cx
    pop bx
    pop ax
    ret
DrawLine ENDP

6.3 笛卡尔坐标程序

在图形编程中，笛卡尔坐标是常用的坐标系统。我们可以编写一个程序将笛卡尔坐标转换为屏幕坐标。以下是一个简单的转换示例：

; 笛卡尔坐标转换为屏幕坐标
CartesianToScreen PROC,
    x: WORD,
    y: WORD,
    screenX: PTR WORD,
    screenY: PTR WORD
    push ax
    push bx
    mov ax, x
    add ax, 160 ; 假设屏幕中心为原点
    mov bx, y
    add bx, 100
    mov [screenX], ax
    mov [screenY], bx
    pop bx
    pop ax
    ret
CartesianToScreen ENDP

7. 内存映射图形

7.1 模式13h：320x200，256色

模式13h是一种常见的图形模式，它提供了320x200的分辨率和256种颜色。在这种模式下，可以直接访问视频内存来绘制图形。视频内存的起始地址为A000:0000。

7.2 内存映射图形程序

以下是一个简单的内存映射图形程序示例，用于在模式13h下绘制一个矩形：

TITLE Memory-Mapped Graphics (MemMapGraphics.asm)
INCLUDE Irvine16.inc
.code
main PROC
    mov ax, @data
    mov ds, ax
    mov ah, 00h ; 设置视频模式为模式13h
    mov al, 13h
    int 10h
    mov ax, 0A000h ; 视频内存段地址
    mov es, ax
    mov di, 0 ; 视频内存偏移地址
    mov cx, 320 * 200 ; 总像素数
    mov al, 0Fh ; 白色
FillLoop:
    stosb
    loop FillLoop
    mov ah, 00h ; 恢复到文本模式
    mov al, 03h
    int 10h
    exit
main ENDP
END main

8. 鼠标编程

8.1 鼠标INT 33h函数

INT 33h提供了一系列用于鼠标编程的函数。以下是一些常见的函数及其功能：
| 功能 | 描述 | 接收参数 | 返回值 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 初始化鼠标 | 启用鼠标并设置鼠标指针的初始位置 | AX = 00h | CX = 水平分辨率，DX = 垂直分辨率 |
| 显示鼠标指针 | 在屏幕上显示鼠标指针 | AX = 01h | 无 |
| 隐藏鼠标指针 | 隐藏鼠标指针 | AX = 02h | 无 |
| 获取鼠标位置和按钮状态 | 获取鼠标的当前位置和按钮状态 | AX = 03h | BX = 按钮状态，CX = 水平位置，DX = 垂直位置 |

8.2 鼠标跟踪程序

以下是一个简单的鼠标跟踪程序示例：

TITLE Mouse Tracking (MouseTrack.asm)
INCLUDE Irvine16.inc
.code
main PROC
    mov ax, @data
    mov ds, ax
    mov ax, 00h ; 初始化鼠标
    int 33h
    mov ax, 01h ; 显示鼠标指针
    int 33h
TrackLoop:
    mov ax, 03h ; 获取鼠标位置和按钮状态
    int 33h
    mov bx, 0 ; 隐藏鼠标指针
    int 33h
    mov ah, 02h ; 设置光标位置
    mov dh, dl
    mov dl, cl
    int 10h
    mov ah, 0Eh ; 显示字符 'M'
    mov al, 'M'
    mov bh, 0
    mov bl, 0Fh
    int 10h
    mov ax, 01h ; 显示鼠标指针
    int 33h
    jmp TrackLoop
    mov ax, 02h ; 隐藏鼠标指针
    int 33h
    mov ah, 00h ; 恢复到文本模式
    mov al, 03h
    int 10h
    exit
main ENDP
END main

9. 总结

通过以上内容，我们深入学习了BIOS级编程的多个方面，包括键盘输入、视频编程、图形绘制、内存映射图形和鼠标编程。掌握这些知识可以让我们更深入地了解计算机硬件的工作原理，并且能够开发出高性能的应用程序。在实际应用中，我们可以根据具体需求选择合适的编程方法和函数，以实现各种功能。同时，我们还学习了许多实用的代码示例，这些示例可以作为我们进一步开发的基础。希望这些内容对大家在计算机编程领域的学习和实践有所帮助。