C语言DOS环境下图形化编程指南

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简介：C语言的DOS图形化编程是一项基础但重要的技能，可以让用户通过字符界面编写交互式程序。本文深入探讨了在DOS环境下使用C语言进行图形化编程，包括BIOS中断、DOS功能调用、内存映射、屏幕缓冲区操作、图形绘制技巧、键盘输入处理、程序结构、编译链接过程以及调试工具的使用。这些内容将帮助初学者理解操作系统原理，掌握底层编程，并为学习更高级的系统编程打下基础。

1. DOS系统概述

在个人计算机发展的早期，DOS（磁盘操作系统）扮演了至关重要的角色，成为了计算机世界的基础。它是第一个广泛使用的个人电脑操作系统。DOS提供了一个非常直观和简单的用户界面，使得用户可以通过简单的命令与计算机进行交互。尽管现在是Windows、macOS和Linux等图形用户界面主导的时代，但在20世纪80年代和90年代，DOS是大多数计算机用户所依赖的操作系统。

1.1 DOS的历史背景

DOS最初由微软公司为IBM个人计算机开发，后来发展为MS-DOS。它作为IBM兼容PC机上的标准操作系统，定义了个人电脑操作系统的标准。随着时间的推移，MS-DOS经历了多个版本的更新和改进，并催生了诸如DR-DOS和PTS-DOS等多种竞争产品。

1.2 DOS的基本特性

DOS是一种单用户、单任务操作系统。它依赖于基于文本的命令行界面，用户需要记住各种命令和参数来执行不同的操作。DOS支持基本的文件管理、内存管理和磁盘管理功能，并且能够处理简单的输入输出设备。它具有良好的兼容性和可扩展性，能够运行各种各样的应用程序。

1.3 DOS系统的发展与影响

随着时间的推移和技术的进步，DOS逐步被更加现代的多任务、图形化操作系统所取代。但是，DOS系统对现代计算机技术产生了深远的影响。许多早期的编程概念和技术，比如DOS中断服务和批处理文件，奠定了现代操作系统服务和脚本编程的基础。

本章内容简要介绍了DOS系统的历史地位、基本特性和对现代计算技术的影响，为后续章节中探讨DOS的内部工作原理和编程技巧打下基础。

2. BIOS中断使用

2.1 BIOS中断的分类与功能

2.1.1 BIOS中断的基本概念

BIOS中断是操作系统与计算机硬件之间的一个接口。在早期的个人电脑中，BIOS中断用于简化硬件操作，使得程序员可以不必了解硬件的详细信息而能够执行一些基础的硬件操作。BIOS中断一般由中断向量表来管理，这些中断通常由软中断指令 INT 触发。每个中断都有一个相应的中断号，当 INT 指令与这个中断号一起执行时，CPU会跳转到对应的中断服务例程去执行。

例如， INT 10h 是视频服务中断，通过它可以设置视频模式、读写屏幕字符、设置光标位置等。 INT 16h 是键盘服务中断，用于获取按键信息、设置键盘速率等。

2.1.2 常见BIOS中断列表及其用途

| 中断号 | 服务类别 | 常见用途 | | :---: | :---: | :---: | | INT 10h | 视频中断 | 用于执行屏幕显示相关任务 | | INT 13h | 磁盘服务中断 | 执行磁盘读写、格式化等功能 | | INT 14h | 串行通信中断 | 用于串行端口数据的发送与接收 | | INT 16h | 键盘中断 | 用于键盘输入读取和状态检查 | | INT 17h | 打印机中断 | 执行打印机的控制和数据发送 | | INT 19h | 引导加载中断 | 用于计算机的系统引导加载过程 |

2.2 BIOS中断调用实例分析

2.2.1 使用BIOS中断实现屏幕输出

下面的例子展示了如何使用 INT 10h 中断在屏幕上打印字符"Hello, World!"。

mov ah, 0x0E ; teletype输出功能
mov al, 'H'  ; 要输出的字符 'H'
int 0x10     ; 触发视频服务中断

mov al, 'e'  ; 同理，继续输出 'e'
int 0x10     ; ...

mov al, 'l'
int 0x10

mov al, 'l'
int 0x10

mov al, 'o'
int 0x10

mov al, ','
int 0x10

mov al, ' '
int 0x10

mov al, 'W'
int 0x10

mov al, 'o'
int 0x10

mov al, 'r'
int 0x10

mov al, 'l'
int 0x10

mov al, 'd'
int 0x10

mov al, '!'
int 0x10

在上述代码中，通过 INT 10h 中断号与功能号 0x0E （teletype输出功能）结合，将特定的字符送到屏幕上。这里的 AH 寄存器用来选择功能号， AL 寄存器包含要显示的字符。

2.2.2 利用BIOS中断进行键盘输入处理

下面的示例演示了如何使用 INT 16h 中断来等待并读取一个按键输入：

wait_key:
    mov ah, 0x00       ; 等待按键功能号
    int 0x16           ; 调用键盘中断
    mov ah, al         ; 将按键的扫描码移动到AH寄存器
    mov al, 0          ; 清空AL寄存器，因为INT 16h会在AL中返回按键的ASCII码
    int 0x16           ; 再次调用键盘中断来获取ASCII码

    ; 此时AL中保存了按键的ASCII码，可以继续处理
    ; ...

在此段代码中，程序首先通过 INT 16h 中断的 0x00 功能号等待用户的按键输入。当按键被按下时，该中断会把按键的扫描码放入 AL 寄存器，并返回。之后，再次执行 INT 16h ，这次不带参数，中断服务程序会返回按键的ASCII码在 AL 中。这样程序就可以获取并使用按键的ASCII码来进行后续的处理。

2.1 BIOS中断的高级应用

2.1.1 使用BIOS中断获取系统时间

BIOS中断除了基本的输入输出之外，还可以用来获取系统时间。通过调用 INT 1Ah 中断的不同功能号，可以实现读取系统实时时钟（RTC）的功能。通常使用功能号 0x02 来获取当前的时间，以下是获取当前时间的代码示例：

mov ah, 0x02        ; 功能号: 获取系统时间
mov ch, 0           ; 小时
mov cl, 0           ; 分钟
mov dh, 0           ; 秒
int 0x1A            ; 调用BIOS实时时钟中断

; AL, CH, CL, DH 寄存器分别被填充了当前的秒、分、时、日信息
; 其中 AL = 秒（BCD码）, CH = 小时（BCD码）, CL = 分钟（BCD码）
; DH = 星期几（0=星期日, 1=星期一, ..., 6=星期六）

上述代码中， INT 1Ah 用于读取当前的实时时钟。调用后，相关的寄存器被填充为当前的日期和时间，这使得在没有操作系统的情况下，也能够获得系统时间信息。

3. DOS功能调用

3.1 DOS功能调用的基本原理

3.1.1 DOS功能调用的系统架构

DOS（磁盘操作系统）功能调用是DOS编程中的核心机制之一，它允许程序通过一系列的预定义功能号与操作系统进行交互，执行文件管理、内存操作、屏幕显示等任务。DOS功能调用的系统架构在某种程度上类似于现代操作系统的API调用，但它局限于实模式操作，且功能相对固定。

在DOS中，功能调用主要通过INT 21h中断实现，这是DOS中最重要也是最常用的中断。通过设置AH寄存器为特定的功能号，然后调用INT 21h中断，程序便可以执行相应的系统功能。例如，读写文件、创建或删除文件、目录操作等。

3.1.2 功能号与功能参数详解

每个DOS功能调用都有一个对应的编号，称为功能号。功能号存放在AH寄存器中，而具体的参数通常存放在其他寄存器或栈中。以下是一些常见的DOS功能号和它们所对应的参数：

• 功能号0x09用于显示字符串。
• 功能号0x3C用于创建文件。
• 功能号0x3D用于打开文件。

下面是一个简单的示例，演示如何使用INT 21h功能号0x09来显示一个字符串：

mov ah, 09h       ; 设置功能号为0x09，显示字符串功能
mov dx, offset msg ; 将字符串的内存地址加载到DX寄存器
int 21h           ; 调用DOS中断

在上述代码中， msg 是一个包含要显示字符串的标签。当执行这段代码时，DOS中断服务例程会被调用，该例程会读取DX寄存器的内容，并将该地址开始的字符串显示到屏幕上。

3.2 DOS功能调用在图形化编程中的应用

3.2.1 文件操作中的DOS功能调用

在图形化编程中，文件操作是一个常见的需求。DOS提供了多个功能号来支持文件的创建、读写、关闭等操作。例如，创建文件的功能号是0x3C，而打开文件的功能号是0x3D。

使用DOS功能调用来进行文件操作时，必须首先加载正确的功能号到AH寄存器，并提供适当的参数。以下是如何使用功能号0x3D打开一个文件的示例代码：

mov ah, 3Dh        ; 功能号0x3D，用于打开文件
mov al, 0          ; 文件属性，0表示普通文件
mov dx, offset filename ; 文件名地址
int 21h            ; 调用DOS中断打开文件
jc open_failed     ; 如果有错误发生，跳转到错误处理

在这个例子中，如果文件成功打开，CF标志将被清除；如果文件打开失败，CF标志将被设置，此时可以跳转到错误处理代码。

3.2.2 系统控制和时间日期功能调用

除了文件操作外，DOS功能调用还涵盖了对系统控制和时间日期的管理。例如，获取和设置系统时间与日期分别对应功能号0x2A和0x2B。

获取系统时间的DOS功能调用示例如下：

mov ah, 2Ah        ; 功能号0x2A，用于获取系统时间
int 21h            ; 调用DOS中断获取系统时间
; 结果存储在CX和DX寄存器中
; CX为时间（小时*3600 + 分钟*60 + 秒）
; DX为日期（年 + 月*256 + 日）

通过上述功能号，可以在程序中处理时间日期，比如在图形化界面中显示当前时间或日期，或者根据时间日期控制程序的特定行为。

通过使用这些系统级的DOS功能调用，开发者可以创建更加动态和交互性强的图形化应用。这些调用背后的原理和实现对于深入理解DOS编程环境和编写有效代码至关重要。随着对这些基础的理解加深，我们可以利用它们来构建更加复杂的图形化应用程序。

4. 内存映射与屏幕缓冲区操作

4.1 内存映射技术基础

4.1.1 内存地址空间布局

在深入探讨屏幕缓冲区操作之前，理解计算机系统中的内存地址空间布局至关重要。内存地址空间是程序员在编程时能够访问和操作的内存范围。在DOS系统中，内存地址空间被分为几个部分，包括基本内存、扩展内存、上位内存块（UMB）和扩展内存规范（EMS）区域。

基本内存通常从地址 0x0000 到 0x9FFFF ，其中 0x0000 到 0x7FFFF 用于存放操作系统和运行的程序，而 0x80000 到 0x9FFFF 则用于ROM BIOS和视频缓冲区。扩展内存是指超过1MB的内存区域，通过特定的内存管理技术可以被访问。UMB是指位于 0xA0000 到 0xFFFFF 之间的一段内存，某些情况下可以被用作数据存储。EMS是另一种扩展内存访问方式，允许程序访问高于640KB的内存区域。

4.1.2 屏幕缓冲区的结构与访问

屏幕缓冲区是内存中用于存储屏幕上显示内容的一块区域。在文本模式下，屏幕被分为25行，每行80个字符。每个字符占用两个字节的空间，第一个字节是ASCII码，第二个字节是字符的属性（如颜色、闪烁等）。视频缓冲区的起始地址在DOS系统中通常是 0xB8000 ，可以通过直接操作这块内存来控制屏幕上的字符显示。

在现代编程中，我们很少直接操作内存地址，但在DOS和早期的系统中，直接对内存的访问是常见的。在C语言中，可以通过指针和指针运算来访问特定内存地址的内容。以下代码展示了如何在DOS下用C语言设置特定屏幕位置的字符和属性：

#include <dos.h> // 包含对BIOS和DOS中断进行操作的头文件

void set_char_at_position(int row, int col, char ch, int attr) {
    unsigned char far *vid_ptr;
    int offset;
    // 计算屏幕缓冲区中的具体偏移地址
    offset = (row * 80 + col) * 2;
    // 获取视频缓冲区的指针
    vid_ptr = (unsigned char far *)MK_FARPTR(0xB8000, offset);
    // 写入字符及其属性
    *vid_ptr = ch;
    *(vid_ptr+1) = attr;
}

int main() {
    // 设置第0行第0列的字符为'A'，属性为绿色背景，白色前景
    set_char_at_position(0, 0, 'A', 0x2F);
    return 0;
}

在这段代码中，我们使用了 MK_FARPTR 宏来创建一个指向视频缓冲区特定位置的远指针。我们通过指针运算来访问和修改屏幕缓冲区的内容。

4.2 屏幕缓冲区操作技巧

4.2.1 缓冲区内容的读写操作

屏幕缓冲区操作的基本技巧包括读取和写入特定位置的字符和属性。读取屏幕缓冲区内容时，可以使用与写入相同的指针方法，但是需要将指针指向的值读取出来。以下是一个示例代码，演示了如何读取并打印屏幕缓冲区中特定位置的字符和属性：

#include <stdio.h>
#include <dos.h>

void print_char_at_position(int row, int col) {
    unsigned char far *vid_ptr;
    int offset;
    char ch, attr;
    // 计算屏幕缓冲区中的具体偏移地址
    offset = (row * 80 + col) * 2;
    // 获取视频缓冲区的指针
    vid_ptr = (unsigned char far *)MK_FARPTR(0xB8000, offset);
    // 读取字符及其属性
    ch = *vid_ptr;
    attr = *(vid_ptr+1);
    printf("Character: %c, Attribute: %d\n", ch, attr);
}

int main() {
    // 打印第0行第0列的字符和属性
    print_char_at_position(0, 0);
    return 0;
}

4.2.2 实现页面翻转和颜色控制

屏幕缓冲区操作的一个高级技巧是实现页面翻转和颜色控制。页面翻转是一种在视频游戏中常见的技术，用于产生平滑的动画效果。通过写入不同的内存页，可以在不同的缓冲区之间切换显示内容，从而实现动画效果。颜色控制则允许开发者更改字符的颜色属性，从而提供视觉上的反馈。

以下是实现页面翻转的伪代码示例：

// 伪代码 - 页面翻转示例
unsigned char far *page0 = (unsigned char far *)MK_FARPTR(0xB8000, 0);
unsigned char far *page1 = (unsigned char far *)MK_FARPTR(0xC0000, 0);
int offset = 0;

// 写入第一个页面的内容
for (int i = 0; i < (80 * 25 * 2); i += 2) {
    page0[offset + i] = ch;
    page0[offset + i + 1] = attr;
}

// 翻转页面
// 通过设置视频模式寄存器来切换当前显示的内存页
// 例如，将0x03D0寄存器设置为2将切换到第二个屏幕页面
outp(0x03D0, 2);

// 现在page1的内容将被显示，可以写入page1来更新显示内容
for (int i = 0; i < (80 * 25 * 2); i += 2) {
    page1[offset + i] = new_ch;
    page1[offset + i + 1] = new_attr;
}

// 再次翻转页面，显示page1的内容
outp(0x03D0, 3);

这段伪代码展示了一个简单的页面翻转过程。页面翻转通常与定时器中断结合使用，以创建平滑的动画效果。

以上就是内存映射与屏幕缓冲区操作的基本概念和一些基本技巧。掌握这些知识对于优化DOS程序的图形显示和提高用户交互体验具有重要作用。随着技术的发展，现代图形API已经抽象了大部分底层细节，但在特定的历史时期，这些技术对于软件开发者而言是不可或缺的。

5. 图形绘制技巧

5.1 基本图形绘制方法

图形编程是吸引用户视觉焦点的关键手段之一。在DOS环境下，基本图形的绘制依赖于对屏幕像素和字符属性的操作。

5.1.1 点、线、圆的基本绘制技术

点的绘制可以通过设置特定坐标处像素的颜色属性实现。在文本模式下，可以使用BIOS中断INT 10h，功能号为0x02（设置光标位置）和0x09（写字符和属性）来绘制点。

; 例子：在文本模式下绘制一个点
mov ah, 02h        ; 设置光标位置功能号
mov bh, 0          ; 页面号
mov dh, 10         ; 行号（从0开始计数）
mov dl, 20         ; 列号（从0开始计数）
int 10h            ; 调用BIOS视频服务

mov ah, 09h        ; 写字符和属性功能号
mov al, ' '        ; 要写入的字符，这里为空格表示绘制点
mov bl, 07h        ; 属性，白色前景
mov cx, 1          ; 写入字符的重复次数，这里为1表示只写一个点
int 10h            ; 调用BIOS视频服务

绘制线通常使用Bresenham算法，它是一种利用整数运算来计算线段最接近像素的高效方法。圆的绘制则可以使用中点圆算法，这种算法同样利用了整数运算来确定圆上每个像素的位置。

5.1.2 图案填充与字符图形的绘制

图案填充可以通过逐行扫描屏幕缓冲区，检查是否需要绘制像素来完成。字符图形的绘制则类似于点阵图，每个字符代表屏幕上的一个图形元素。

5.2 高级图形绘制技术

5.2.1 使用中断进行复杂图形绘制

利用中断调用可以实现更复杂的图形绘制，比如利用图形模式的中断INT 10h功能号0x0C进行像素级绘图。

5.2.2 交互式图形编程实例

交互式图形编程通常需要处理用户的输入，并据此动态改变图形。这涉及到前面章节提到的键盘输入处理和图形绘制技巧的综合运用。

; 例子：响应用户输入，动态绘制点
main_loop:
    call get_key
    call move_cursor
    jmp main_loop

get_key:
    ; 获取按键的伪代码，具体实现取决于BIOS中断和缓冲区
    ret

move_cursor:
    ; 根据获取的按键信息移动光标位置，并绘制点
    ret

在实际编程中，为了更好地实现交互式图形，我们可能需要混合使用BIOS中断和DOS功能调用，比如在文本模式和图形模式间切换，或者利用DOS功能调用来读取用户按键而不阻塞程序执行。

以上方法的实现都必须建立在对汇编语言和系统中断有深入理解的基础上，这样才能有效地利用硬件特性来达到预期的图形绘制效果。随着技术的发展，图形库和框架的普及，这些底层技术虽然不再经常被直接使用，但它们在学习和理解图形编程基础方面仍然具有重要的教育意义。

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简介：C语言的DOS图形化编程是一项基础但重要的技能，可以让用户通过字符界面编写交互式程序。本文深入探讨了在DOS环境下使用C语言进行图形化编程，包括BIOS中断、DOS功能调用、内存映射、屏幕缓冲区操作、图形绘制技巧、键盘输入处理、程序结构、编译链接过程以及调试工具的使用。这些内容将帮助初学者理解操作系统原理，掌握底层编程，并为学习更高级的系统编程打下基础。

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