VGA图形控制器直接编程技术.docx
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VGA图形控制器直接编程技术
VGA图形控制器直接编程技术
使用VGA图形控制器直接编程，可以突破C语言提供的图形函数只能实现16色的限制，还可以在同一屏幕中控制图像的灰度，做出许多特技效果。
学习目标
●VGA卡的结构原理
●调用BIOS中断设置图形方式
●灰度级别的应用
VGA卡的概念
VGA图形控制器位于CPU和VideoRAM（视频存储器）的通路之间，主要用来对CPU写入VideoRAM的数据进行各种操作和处理。
它由算术逻辑部件（ALU）、位平面读出暂存器及一些控制寄存器组成。
在初始状态下它是透明的。
即CPU向VideoRAM读出时它对数据不作任何修改。
当直接对图形控制器进行控制时，它能协助我们完成一些原来要由CPU执行的任务。
在图形模式下，它对于绘图算法的快速实现提供了一定的硬件支持。
特别是在对像素操作时，直接使用图形控制器是最快捷的方法。
在VGA卡上，是不能直接对VideoRAM的内容进行读写的，必须通过特殊硬件作界面。
VGA的VideoRAM被分成四个独立的位平面（Bitplane）的形式。
在图形方式下的位平面地址方式是水平的，各位平面具有相同的空间地址，其首地址入口为A000：
000H。
每个位平面的读写操作均可独立地进行。
通常，屏幕上第五个像素的颜色用4个二进制位表示，它的像素值被划分到4个位平面上，分别占用4个位平面的一位。
所以，当CPU要读写VideoRAM地址时，并不是只用到一个字节，而是同时用到4个字节，分别在每一个位平面上。
图形控制器有四个读出数据暂存器（Latch），从VideoRAM的4个位平面读出的数据都同时暂存在其中，直到下一次再更新它们的内容。
每一个Latch对应于一个位平面，当CPU要用到VideoRAM的地址时，读取操作会更新Latch中的值，写入操作会更新位平面的值。
由于VGA与CPU之间的数据通路是单字节宽，只有8个Bit，但内部却有32位的数据通路，因此，从CPU送来的一个字节，在一个写周期内，可以同时向4个位平面写入。
图形控制器的逻辑运算部件主要对CPU与入VideoRAM的数据执行与、或、异或、循环等操作，由于可以对像素的颜色进行逻辑运算，可以大大简化绘图操作，获得一些特殊的效果。
在VGA卡中，与图形控制器工作状态相关的另一个物理器件是操作定序控制器，它是VGA各种寄存器操作和数据传送操作的顺序控制器，起着控制VideoRAM或图形控制器到属性控制器之间的数据流动的作用。
在下面所涉及的各种位平面写入操作中，最终对哪些平面有效，还要受到操作定序控制器中的位平面屏蔽寄存储的影响。
图形控制寄存器访问
对图形控制器的访问必须通过寄存器的读写操作来完成。
图形控制器有9个可定址的寄存器，这些寄存器均为一个字节宽。
由于系统分配给显示器端口地址的数量有限，在访问寄存器时采用了间址选择的方法，即预先将这些寄存器编号（称之为索引号），并添加一个索引寄存器和一个数据寄存器。
它们的存取操作均须通过地址索引寄存器（输出地址为3CEH）和数据寄存器（输入／输出地址为3CFH），前者存放索引号，后者存放索SI号所指定的寄存器写入或读出的数据。
索引寄存器的内容起着控制数据寄存器的功能，所以可将地址为3CFH的数据寄存器看作9个不同的寄存器来使用。
为了访问图形控制器的功能，对图形控制器寄存器的存取操作均须分两步进行：
首先应当把索引号（即功能号）作为寄存器的内容输出到索引寄存器端口3CEH中，然后再对数据寄存器进行读写操作。
图形控制器寄存器的参数及功能
为了实现对图形控制器的直接编程，必须掌握各个寄存器的含义及其用法。
在VGABIDS中，这些寄存器都有其初值，当然，这些值都是可以修改的。
下表列出这9个寄存器的名称和系统初始值。
ROMBIOS中VGA图形控制器所设置的初始值
功能索引号
寄存器名称及作用
系统初值
0
Set／Reset（置位／复位寄存器）
0
1
EnableSet（置位／复位允许寄存器）
0
2
ColorCompare<颜色比较寄存器）
0
3
DataRotate（数据移位寄存OS）
0
4
ReadMapSelect（位平面选择寄存器）
0
5
Mode（模式寄存器）
D0-D3为0
6
Miscellaneous（辅助寄存器）
取决视频模式
7
ColorDon'tCare（颜色忽略寄存器）
0FH或01H
8
BitMask（位屏蔽寄存器）
FFH
下面对这9个图形控制器寄存器进行逐一介绍。
1．置位／复位寄存器（功能号0）
S／R寄存器用来定义区域填充时向显示RAM写入的颜色。
S／R寄存器的D0~D3位分别与4个位平面相对应。
若D2=l，则向位平面2中写入的数据就全为1。
若D1：
0，则向位平面1中写入的数据就全为00
2．置位／复位允许寄存器（功能号1）
通常与S／R寄存器配合使用，启动对应于该寄存器D0~D3位的位平面，用来决定置位／复位操作在哪几个位子面进行。
如果关闭某位平面，则不能修改被关闭平面的颜色，也不能改变由功能0选取的颜色。
通常将OFH输出到ESR寄存器后，便可对0,-3位平面进行操作。
注意：
功能0与功能1仅用于由功能5设定的模式0写操作
3．颜色比较寄存器（功能2）与颜色忽略寄存器（功能7）
这一功能使用寄存器的D0~D3位存储从位平面读入的数据，当CPU向图形控制器指定一个参考色之后，颜色比较器每次都把从4个位平面中同时读出的数据与参考颜色作比较，指出是否与参考颜色相同。
若相同，则结果寄存器相应位置1，否则置o。
颜色忽略寄存器则用来控制哪些位平面参加比较，不参加比较的位平面无论其内容如何，总认为与参考颜色的相应位相等。
此功能仅用于模式寄存器（功能5）中读模式为1时。
4．数据移位寄存器（功能3）
这个寄存器用来控制以下功能：
写入数据的循环位移的逻辑操作。
寄存器在功能5模式。
情况下，该寄存器的D0~D2位表示的数值为向右循环移位的数据位数目。
逻辑运算用来实现显示RAM的读一改一写操作，对于实现光标或图符在屏幕上的移动特别有用。
5．位平面读出选择寄存器（功能4）
用来选取位平面在读模式0时进行读取。
当CPU对VideoRAM进行读出操作时，4个位平面的数据总是同时读出到暂存器中，由于一次只能向CPU送出一个字节，通过设置RMS的D0~D2位的数值可选择哪一个位平面的读出数据字节被送到CPU中去。
例如，当RMS：
01H时，送到CPU去的是从位平面1中读出的一个字节。
6，模式寄存器（功能5）
这里仅介绍功能5的读写模式。
在图形控制器中，无论按字节方式处理还是按像素方式处理，都要选择写入模式或读取模式。
MODE寄存器的DO~D1位值按以下方式确定：
写入模式0：
这是最基本的一种方式。
在CPU执行写入动作时，结合了字节方式和像素方式的操作，CPU所写入的数据可以更新任何一个或是全部的位平面，也可以更新暂存器的2个像素或是其中的一个。
在此模式下，可使用功能3提供的数值对处理器数据进行循环移位和逻辑操作，可使用功能。
和功能1启动位平面并设置像素颜色，可使用功能8来设置所有的位平面对应位等。
写入模式1：
此时向VideoRAM写入的仅仅是从Latch读出的数据，而与CPU送来的数据无关。
这时的移位、逻辑运算、置位／复位等操作均不起作用。
在此模式下，可实现对VGA表面上的一个彩色区域从一个位置拷贝到屏幕的另一个位置。
写入模式2：
此模式可将由CPU送来的数据字节的D0~D3位的数值按位分别写入0~3个位平面的所有8位中去。
例如该字节第。
位为1，则位平面。
中则为全l字节。
写入模式3：
它把置位／复位寄存器中的数据写到相应的位平面中去，例如DO=O时，位平面0中写入为全1字节。
功能5的读取模式共有两种，分别由MODE寄存器的第三位设置读模式（o，1两种状态）。
读模式0：
将读取由功能4选取的位平面中之一的一个字节的内容送到CPU中去。
读模式1：
使CPU获得4个位平面在指定地址处像素颜色与参考颜色的比较结果。
7．辅助寄存器（功能6）
该寄存器的D1~D2用来决定VGA的VideoRAM在CPU可寻址的主存储空间的入口地址及范围。
它的值在系统确定显示模式时已设定，一般不再改变。
例如D3和D2的值分别为0时，这时显存地址被设定为A000~BFFFH之间。
8．位屏蔽寄存器（功能8）
位屏蔽寄存器用来控制写入VideoRAM去的数据字节中，哪些位应该修改，哪些位应该保持不变，从而实现对VideoRAM的读一改一写操作，这对于以像素为单位画图时特别有用。
VGA图形控制器编程实例
我们所讨论的只是VGA的图形控制器一些最基本的内容，要想熟练掌握和灵活使用好图形控制器是要付出许多努力的。
为帮助读者理解和掌握VGA图形控制器的直接编程方法，这里我们给出一个用TURBOC实现的程序实例，供读者参考。
#include"graphics.h"
#include"dos.h"
#include"stdio.h"
#defineENABLE0x0F
#defineINDEXREG0x3CE
/*定义索引寄存器端口地址*/
#defineVALREG0x3CF
/*定义数据寄存器端口地址*/
#defineVGABASE0xA0000000L
#defineWIDTH80L
#defineXMAX639
#defineYMAX479
#defineXMIX0
#defineYMIN0
#defineOUTINDEX（index,val）outport（INDEXREG,index）;outport（VALREG,val）;
charfar*vgabase;
voidputpoint（intx,inty,intcolor,inthow）;
main（）
{
intgmode=VGAHI,gdriver=VGA;
intcolor=1,x,y;
initgraph（&gdriver,&gmode,""）;
/*绘制各种颜色的直线段*/
for（y=1;y<=479;++y）{
for（x=1;x<=639;++x）
putpoint（x,y,color,0）;
color++;}
getch（）;
/*用异或方式擦除各条直线*/
color=1;
for（y=1;y<=479;++y）{
for（x=1;x<=639;++x）
putpoint（x,y,color,0x18）;
color++;}
getch（）;
closegraph（）;
}
/*利用图形控制寄存器功能写像素函数*/
voidputpoint（intx,inty,intcolor,inthow）
{
registerunsignedcharmask=0x80;
registercharfar*base;
unsigneddummy;
vgabase=（charfar*）MK_FP（0xA000,0）;
base=（charfar*）（vgabase+（（long）y*
WIDTH+（long）x/8L））;
mask>>=x%8;
dummy=*base;
OUTINDEX（0,color）;/*设定额色*/
OUTINDEX（1,ENABLE）;/*启动位平面*/
OUTINDEX（3,how）;/*确定逻辑操作方式*/
OUTINDEX（8,mask）;/*设置屏蔽位*/
*base=1;
OUTINDEX（0,0）;/*寄存器复位*/
OUTINDEX（1,0）;
OUTINDEX（3,0）;
OUTINDEX（8,0xff）;
}
TVGA显示原理
SuperVGA是目前微机上显示方式极为普遍的配置，但SuperVGA并无统一标准，各种高级语言不支持SuperVGA方式的显示。
要实现高分辨多色彩图形显示，必须清楚SuperVGA的显示原理。
Windows是目前受人们欢迎的操作系统，位图（．BMP）文件是它图形文件的标准格式，但用户在用TurboC开发图形图像程序时，不能直接取用．BMP位图文件，这不能不说是一件遗憾之事。
下面就针对以上问题提出解决的方法。
这里只讨论256色下的图形显示技术。
1．内存映射关系
TVGA8900卡有512KB和1024KB显示缓冲区1种（512KBVRAM不支持1034X768的256色模式）。
DOS环境从A0000H~BFYFFH共有128KB的存储空间留给显示器，分为64KB的A0000H—久1TFPH和128KB的页方式映射到TVGA的VRAM来实现显示的。
2．寻址技术
要实现SuperVGA的显示，首先是将图形缓冲区中数据送到CPURAM，然后映射到TVGAVRAM中实现。
对于256色模式来说，屏幕上的一点占8位（28=256）1字节，VRAM中的数据从0KBdl024KB，每个字节顺序在对应屏幕中按行逐点对应。
CPURAM只有64KB，而VRAM有1024KB，要使图形数据缓冲区中的数据通过CPURAM和TVGAVRAM建立一一对应关系实现显示，关键是CPURAM如何映射到VRAM。
分析TVGA结构可以得到，TVGA（1024KB）VRAM被分成16个段，每段64KB，通过访问3C4H定序器地址寄存器来实现A0000H~AFFFFH64KB对应于TVGAVRAM不同的段，这样就得到了屏幕上一点（x，y）与CPURAM和TVGAVRAM的寻址关系：
xy=x+y*MAXX（MAXX为每行的最大值）
其中，xy为点（x，y）在VRAM中的线性地址
SEG：
xy／10000H=xy／65536=xy>>16
其中，SEG为点（x，y）在VRAM中的段号。
OFF：
xy&FFFFH
OFF是点（x，y）在VRAM段中的偏移量，即CPURAM中的线性地址
3．设置显示模式
SupervGA的扩充显示模式不像标准vGA只需设置相应的视频方式，它还需要设置页映射方式以及切换视频内存。
（1）设置视频方式
MOVAH，0
MOVAI，MODE;MODE=显示模式
INTl0H
（2）设置页方式，如下为选择64KB方式
MOVDX，3C4H
MOVAL，OBH
OUTDX，AL
INAL，DX
MOVDX，3CEH
MOVAX，506H
OUTDX，AX
（3）切换视频内存
MOVDX，3C4H
MOVAL，0EH
OUTDX，AL
MOVDX，3C5H
INAL，DX
XORAL，2
OUTDX，AL
4．点（x，y）在屏幕上显示
依据前面的分析，可以得到点（x，y）在屏幕上显示过程：
设置显示模式——计算点的线性地址——计算在VRAM中的段号——计算在RAM中的地址及偏移量——建立CPURAM与点在VRAM段的映射——向CPURAM中地址写点（x，y）的颜色值。
TVGA方式下灰度的实现
1．位图BMP文件格式分析
Paintbrush的．BMP位图共有1位、4位、8位、24位（即单色、1
彩色）4种位映像，结构都基本相同，现仅以256色为例说明。
256色．BMP位图文件格式分为三部分：
文件头、调色板和图形数据
①文件头的结构分析
文件头占用位图的前54个字节
1~2字节文件类型标志
4~7字节文件的长度
8~21字节图形的宽度
22~25字节图形的高度
②调色板的结构分析
从55到1078的1024个字节为调色板值，每4个字节为一种颜色的RGB值，依次分别存放B，G，R（O<二B，G，R<二255）的值，
③图形数据结构分析
从1079起为图形数据，每字节存放屏幕上的一个点的颜色值，有两点与屏幕显示不同。
第一、屏幕上图形的第一行对应于位图存储时的最后一行数据，以此类推：
第二、实际存放的每行数据是按16倍数存储的，当图形列数不是16的倍数时，存储时会自动补充为16的倍数存储。
2．灰度在IVGA卡上的实现
有了前面的TVGA显示原理和位图的结构分析，就能实现位图的显示。
有兴趣的读者可以参照上一讲的相关内容去编程实现，这里就不多讲了。
下面给出一个在TVGA卡上实现灰度显示的程序实例。
#include"stdio.h"
#include"dos.h"
#include
#include
#include
#include
unsignedlongpre_cale_y2[480];
typedefunsignedcharbyte;
unionREGSreg;
structSREGSinreg;
typedefstruct
{
bytered;
bytegrn;
byteblu;
}
rgb;
typedefrgbpalette_Register[256];
voidset_palette（palette_Registerhue）
{
reg.x.ax=0x1012;
segread（&inreg）;
inreg.es=inreg.ds;
reg.x.bx=0;
reg.x.cx=256;
reg.x.dx=（int）&hue[0];
int86x（0x10,®,®,&inreg）;
}
voidinit_palette_2（palette_Registercolor）
{
inti;
for（i=0;i<36;i++）
{
color[i].red=0;
color[i].grn=0;
color[i].blu=（int）（1.8*i+0.5）;
}
for（i=36;i<72;i++）
{
color[i].red=0;
color[i].grn=（int）（1.8*（i-36）+0.5）;
color[i].blu=0;
}
for（i=72;i<108;i++）
{
color[i].red=0;
color[i].grn=（int）（1.8*（i-72）+0.5）;
color[i].blu=（int）（1.8*（i-72）+0.5）;
}
for（i=108;i<144;i++）
{
color[i].red=（int）（1.8*（i-108）+0.5）;
color[i].grn=0;
color[i].blu=0;
}
for（i=144;i<180;i++）
{
color[i].red=（int）（1.8*（i-144）+0.5）;
color[i].grn=0;
color[i].blu=（int）（1.8*（i-144）+0.5）;
}
for（i=180;i<216;i++）
{
color[i].red=（int）（1.8*（i-180）+0.5）;
color[i].grn=（int）（1.8*（i-180）+0.5）;
color[i].blu=0;
}
for（i=216;i<252;i++）
{
color[i].red=（int）（1.8*（i-216）+0.5）;
color[i].grn=（int）（1.8*（i-216）+0.5）;
color[i].blu=（int）（1.8*（i-216）+0.5）;
}
}
voidprecale（）
{
unsignedintj;
for（j=0;j<480;j++）
{
pre_cale_y2[j]=640*j;
}
}
voidplot（intx,inty,charcolor）
{
longL_offset;
intoffset,page;
charfar*address;
precale（）;
if（（x<640）&&（y<480））
{
L_offset=pre_cale_y2[y]+x;
page=（L_offset>>16）;
offset=L_offset&65535;
outportb（0x3c4,0xe）;
outportb（0x3c5,（page&0xf）^0x2）;
address=（charfar*）（0xa0000000L+offset）;
*address=color;
}
}
voidput_pix（intx,inty,charcolor,charinten）
{
charcol;
col=（（35+1）*（color-1）+inten）&255;
plot（x,y,col）;
}
main（）
{
inti,j;
palette_Registercolor;
precale（）;
reg.h.ah=0;
reg.h.al=0x13;
int86（0x10,®,®）;
init_palette_2（color）;
set_palette（color）;
for（i=0;i<300;i++）
for（j=0;j<35;j++）
put_pix（i,j,3,j）;
getchar（）;
closegraph（）;
}
小结
这一讲首先对VGA卡的结构原理作了介绍，然后分析了BIOS中断调用来设置图形方式的方法，最后给出了一个完整的调整图像灰度的程序，这些知识在图像处理编程中是有很大作用的。
讲座到这里，我们对于程序外壳编写的讨论就要告一段落了，我们的后继课程将讨论一些编程技术，主要包括：
中断调用、底层编程技术、鼠标的使用、程序的内存驻留与释放、软件加密算法等。
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