VGA 字符模式

Feb 26, 2018

VGA 字符模式（VGA text mode）是打印字符到屏幕的一种简单方式。在这篇文章中，为了包装这个模式为一个安全而简单的接口，我们将包装 unsafe 代码到独立的模块。我们还将实现对 Rust 语言格式化宏（formatting macros）的支持。

This blog is openly developed on GitHub. If you have any problems or questions, please open an issue there. You can also leave comments at the bottom. The complete source code for this post can be found in the post-03 branch.

目录

• VGA 字符缓冲区
• 包装到 Rust 模块
  • 颜色
  • 字符缓冲区
  • 打印字符
  • 易失操作
  • 格式化宏
  • 换行
• 全局接口
  • 延迟初始化
  • 自旋锁
  • 安全性
  • println! 宏
  • 使用 println! 的 Hello World
  • 打印 panic 信息
• 小结
• 下篇预告
• 评论

🔗VGA 字符缓冲区

为了在 VGA 字符模式中向屏幕打印字符，我们必须将它写入硬件提供的 VGA 字符缓冲区（VGA text buffer）。通常状况下，VGA 字符缓冲区是一个 25 行、80 列的二维数组，它的内容将被实时渲染到屏幕。这个数组的元素被称作字符单元（character cell），它使用下面的格式描述一个屏幕上的字符：

Bit(s)	Value
0-7	ASCII code point
8-11	Foreground color
12-14	Background color
15	Blink

其中，前景色（foreground color）和背景色（background color）取值范围如下：

Number	Color	Number + Bright Bit	Bright Color
0x0	Black	0x8	Dark Gray
0x1	Blue	0x9	Light Blue
0x2	Green	0xa	Light Green
0x3	Cyan	0xb	Light Cyan
0x4	Red	0xc	Light Red
0x5	Magenta	0xd	Pink
0x6	Brown	0xe	Yellow
0x7	Light Gray	0xf	White

每个颜色的第四位称为加亮位（bright bit）。

要修改 VGA 字符缓冲区，我们可以通过存储器映射输入输出（memory-mapped I/O）的方式，读取或写入地址 0xb8000；这意味着，我们可以像操作普通的内存区域一样操作这个地址。

需要注意的是，一些硬件虽然映射到存储器，但可能不会完全支持所有的内存操作：可能会有一些设备支持按 u8 字节读取，但在读取 u64 时返回无效的数据。幸运的是，字符缓冲区都支持标准的读写操作，所以我们不需要用特殊的标准对待它。

🔗包装到 Rust 模块

既然我们已经知道 VGA 文字缓冲区如何工作，也是时候创建一个 Rust 模块来处理文字打印了。我们输入这样的代码：

// in src/main.rs
mod vga_buffer;

这行代码定义了一个 Rust 模块，它的内容应当保存在 src/vga_buffer.rs 文件中。使用 2018 版次（2018 edition）的 Rust 时，我们可以把模块的子模块（submodule）文件直接保存到 src/vga_buffer/ 文件夹下，与 vga_buffer.rs 文件共存，而无需创建一个 mod.rs 文件。

我们的模块暂时不需要添加子模块，所以我们将它创建为 src/vga_buffer.rs 文件。除非另有说明，本文中的代码都保存到这个文件中。

🔗颜色

首先，我们使用 Rust 的枚举（enum）表示一种颜色：

// in src/vga_buffer.rs

#[allow(dead_code)]
#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(u8)]
pub enum Color {
    Black = 0,
    Blue = 1,
    Green = 2,
    Cyan = 3,
    Red = 4,
    Magenta = 5,
    Brown = 6,
    LightGray = 7,
    DarkGray = 8,
    LightBlue = 9,
    LightGreen = 10,
    LightCyan = 11,
    LightRed = 12,
    Pink = 13,
    Yellow = 14,
    White = 15,
}

我们使用类似于 C 语言的枚举（C-like enum），为每个颜色明确指定一个数字。在这里，每个用 repr(u8) 注记标注的枚举类型，都会以一个 u8 的形式存储——事实上 4 个二进制位就足够了，但 Rust 语言并不提供 u4 类型。

通常来说，编译器会对每个未使用的变量发出警告（warning）；使用 #[allow(dead_code)]，我们可以对 Color 枚举类型禁用这个警告。

我们还生成（derive）了 Copy、Clone、Debug、PartialEq 和 Eq 这几个 trait：这让我们的类型遵循复制语义（copy semantics），也让它可以被比较、被调试和打印。

为了描述包含前景色和背景色的、完整的颜色代码（color code），我们基于 u8 创建一个新类型：

// in src/vga_buffer.rs

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(transparent)]
struct ColorCode(u8);

impl ColorCode {
    fn new(foreground: Color, background: Color) -> ColorCode {
        ColorCode((background as u8) << 4 | (foreground as u8))
    }
}

这里，ColorCode 类型包装了一个完整的颜色代码字节，它包含前景色和背景色信息。和 Color 类型类似，我们为它生成 Copy 和 Debug 等一系列 trait。为了确保 ColorCode 和 u8 有完全相同的内存布局，我们添加 repr(transparent) 标记。

🔗字符缓冲区

现在，我们可以添加更多的结构体，来描述屏幕上的字符和整个字符缓冲区：

// in src/vga_buffer.rs

#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq)]
#[repr(C)]
struct ScreenChar {
    ascii_character: u8,
    color_code: ColorCode,
}

const BUFFER_HEIGHT: usize = 25;
const BUFFER_WIDTH: usize = 80;

#[repr(transparent)]
struct Buffer {
    chars: [[ScreenChar; BUFFER_WIDTH]; BUFFER_HEIGHT],
}

在内存布局层面，Rust 并不保证按顺序布局成员变量。因此，我们需要使用 #[repr(C)] 标记结构体；这将按 C 语言约定的顺序布局它的成员变量，让我们能正确地映射内存片段。对 Buffer 类型，我们再次使用 repr(transparent)，来确保类型和它的单个成员有相同的内存布局。

为了输出字符到屏幕，我们来创建一个 Writer 类型：

// in src/vga_buffer.rs

pub struct Writer {
    column_position: usize,
    color_code: ColorCode,
    buffer: &'static mut Buffer,
}

我们将让这个 Writer 类型将字符写入屏幕的最后一行，并在一行写满或接收到换行符 \n 的时候，将所有的字符向上位移一行。column_position 变量将跟踪光标在最后一行的位置。当前字符的前景和背景色将由 color_code 变量指定；另外，我们存入一个 VGA 字符缓冲区的可变借用到buffer变量中。需要注意的是，这里我们对借用使用显式生命周期（explicit lifetime），告诉编译器这个借用在何时有效：我们使用** 'static 生命周期 **（’static lifetime），意味着这个借用应该在整个程序的运行期间有效；这对一个全局有效的 VGA 字符缓冲区来说，是非常合理的。

🔗打印字符

现在我们可以使用 Writer 类型来更改缓冲区内的字符了。首先，为了写入一个 ASCII 码字节，我们创建这样的函数：

// in src/vga_buffer.rs

impl Writer {
    pub fn write_byte(&mut self, byte: u8) {
        match byte {
            b'\n' => self.new_line(),
            byte => {
                if self.column_position >= BUFFER_WIDTH {
                    self.new_line();
                }

                let row = BUFFER_HEIGHT - 1;
                let col = self.column_position;

                let color_code = self.color_code;
                self.buffer.chars[row][col] = ScreenChar {
                    ascii_character: byte,
                    color_code,
                };
                self.column_position += 1;
            }
        }
    }

    fn new_line(&mut self) {/* TODO */}
}

如果这个字节是一个换行符（line feed）字节 \n，我们的 Writer 不应该打印新字符，相反，它将调用我们稍后会实现的 new_line 方法；其它的字节应该将在 match 语句的第二个分支中被打印到屏幕上。

当打印字节时，Writer 将检查当前行是否已满。如果已满，它将首先调用 new_line 方法来将这一行字向上提升，再将一个新的 ScreenChar 写入到缓冲区，最终将当前的光标位置前进一位。

要打印整个字符串，我们把它转换为字节并依次输出：

// in src/vga_buffer.rs

impl Writer {
    pub fn write_string(&mut self, s: &str) {
        for byte in s.bytes() {
            match byte {
                // 可以是能打印的 ASCII 码字节，也可以是换行符
                0x20..=0x7e | b'\n' => self.write_byte(byte),
                // 不包含在上述范围之内的字节
                _ => self.write_byte(0xfe),
            }

        }
    }
}

VGA 字符缓冲区只支持 ASCII 码字节和代码页 437（Code page 437）定义的字节。Rust 语言的字符串默认编码为 UTF-8，也因此可能包含一些 VGA 字符缓冲区不支持的字节：我们使用 match 语句，来区别可打印的 ASCII 码或换行字节，和其它不可打印的字节。对每个不可打印的字节，我们打印一个 ■ 符号；这个符号在 VGA 硬件中被编码为十六进制的 0xfe。

我们可以亲自试一试已经编写的代码。为了这样做，我们可以临时编写一个函数：

// in src/vga_buffer.rs

pub fn print_something() {
    let mut writer = Writer {
        column_position: 0,
        color_code: ColorCode::new(Color::Yellow, Color::Black),
        buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
    };

    writer.write_byte(b'H');
    writer.write_string("ello ");
    writer.write_string("Wörld!");
}

这个函数首先创建一个指向 0xb8000 地址VGA缓冲区的 Writer。实现这一点，我们需要编写的代码可能看起来有点奇怪：首先，我们把整数 0xb8000 强制转换为一个可变的裸指针（raw pointer）；之后，通过运算符*，我们将这个裸指针解引用；最后，我们再通过 &mut，再次获得它的可变借用。这些转换需要 unsafe 语句块（unsafe block），因为编译器并不能保证这个裸指针是有效的。

然后它将字节 b'H' 写入缓冲区内. 前缀 b 创建了一个字节常量（byte literal），表示单个 ASCII 码字符；通过尝试写入 "ello " 和 "Wörld!"，我们可以测试 write_string 方法和其后对无法打印字符的处理逻辑。为了观察输出，我们需要在 _start 函数中调用 print_something 方法：

// in src/main.rs
#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    vga_buffer::print_something();
    loop {}
}

编译运行后，黄色的 Hello W■■rld! 字符串将会被打印在屏幕的左下角：

需要注意的是，ö 字符被打印为两个 ■ 字符。这是因为在 UTF-8 编码下，字符 ö 是由两个字节表述的——而这两个字节并不处在可打印的 ASCII 码字节范围之内。事实上，这是 UTF-8 编码的基本特点之一：如果一个字符占用多个字节，那么每个组成它的独立字节都不是有效的 ASCII 码字节（the individual bytes of multi-byte values are never valid ASCII）。

🔗易失操作

我们刚才看到，自己想要输出的信息被正确地打印到屏幕上。然而，未来 Rust 编译器更暴力的优化可能让这段代码不按预期工作。

产生问题的原因在于，我们只向 Buffer 写入，却不再从它读出数据。此时，编译器不知道我们事实上已经在操作 VGA 缓冲区内存，而不是在操作普通的 RAM——因此也不知道产生的副效应（side effect），即会有几个字符显示在屏幕上。这时，编译器也许会认为这些写入操作都没有必要，甚至会选择忽略这些操作！所以，为了避免这些并不正确的优化，这些写入操作应当被指定为易失操作。这将告诉编译器，这些写入可能会产生副效应，不应该被优化掉。

为了在我们的 VGA 缓冲区中使用易失的写入操作，我们使用 volatile 库。这个包（crate）提供一个名为 Volatile 的包装类型（wrapping type）和它的 read、write 方法；这些方法包装了 core::ptr 内的 read_volatile 和 write_volatile 函数，从而保证读操作或写操作不会被编译器优化。

要添加 volatile 包为项目的依赖项（dependency），我们可以在 Cargo.toml 文件的 dependencies 中添加下面的代码：

# in Cargo.toml

[dependencies]
volatile = "0.2.6"

0.2.6 表示一个语义版本号（semantic version number），在 cargo 文档的《指定依赖项》章节可以找到与它相关的使用指南。

现在，我们使用它来完成 VGA 缓冲区的 volatile 写入操作。我们将 Buffer 类型的定义修改为下列代码：

// in src/vga_buffer.rs

use volatile::Volatile;

struct Buffer {
    chars: [[Volatile<ScreenChar>; BUFFER_WIDTH]; BUFFER_HEIGHT],
}

在这里，我们不使用 ScreenChar ，而选择使用 Volatile<ScreenChar> ——在这里，Volatile 类型是一个泛型（generic），可以包装几乎所有的类型——这确保了我们不会通过普通的写入操作，意外地向它写入数据；我们转而使用提供的 write 方法。

这意味着，我们必须要修改我们的 Writer::write_byte 方法：

// in src/vga_buffer.rs

impl Writer {
    pub fn write_byte(&mut self, byte: u8) {
        match byte {
            b'\n' => self.new_line(),
            byte => {
                ...

                self.buffer.chars[row][col].write(ScreenChar {
                    ascii_character: byte,
                    color_code: color_code,
                });
                ...
            }
        }
    }
    ...
}

正如代码所示，我们不再使用普通的 = 赋值，而使用了 write 方法：这能确保编译器不再优化这个写入操作。

🔗格式化宏

支持 Rust 提供的格式化宏（formatting macros）也是一个很好的思路。通过这种途径，我们可以轻松地打印不同类型的变量，如整数或浮点数。为了支持它们，我们需要实现 core::fmt::Write trait；要实现它，唯一需要提供的方法是 write_str，它和我们先前编写的 write_string 方法差别不大，只是返回值类型变成了 fmt::Result：

// in src/vga_buffer.rs

use core::fmt;

impl fmt::Write for Writer {
    fn write_str(&mut self, s: &str) -> fmt::Result {
        self.write_string(s);
        Ok(())
    }
}

这里，Ok(()) 属于 Result 枚举类型中的 Ok，包含一个值为 () 的变量。

现在我们就可以使用 Rust 内置的格式化宏 write! 和 writeln! 了：

// in src/vga_buffer.rs

pub fn print_something() {
    use core::fmt::Write;
    let mut writer = Writer {
        column_position: 0,
        color_code: ColorCode::new(Color::Yellow, Color::Black),
        buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
    };

    writer.write_byte(b'H');
    writer.write_string("ello! ");
    write!(writer, "The numbers are {} and {}", 42, 1.0/3.0).unwrap();
}

现在，你应该在屏幕下端看到一串 Hello! The numbers are 42 and 0.3333333333333333。write! 宏返回的 Result 类型必须被使用，所以我们调用它的 unwrap 方法，它将在错误发生时 panic。这里的情况下应该不会发生这样的问题，因为写入 VGA 字符缓冲区并没有可能失败。

🔗换行

在之前的代码中，我们忽略了换行符，因此没有处理超出一行字符的情况。当换行时，我们想要把每个字符向上移动一行——此时最顶上的一行将被删除——然后在最后一行的起始位置继续打印。要做到这一点，我们要为 Writer 实现一个新的 new_line 方法：

// in src/vga_buffer.rs

impl Writer {
    fn new_line(&mut self) {
        for row in 1..BUFFER_HEIGHT {
            for col in 0..BUFFER_WIDTH {
                let character = self.buffer.chars[row][col].read();
                self.buffer.chars[row - 1][col].write(character);
            }
        }
        self.clear_row(BUFFER_HEIGHT - 1);
        self.column_position = 0;
    }

    fn clear_row(&mut self, row: usize) {/* TODO */}
}

我们遍历每个屏幕上的字符，把每个字符移动到它上方一行的相应位置。这里，.. 符号是区间标号（range notation）的一种；它表示左闭右开的区间，因此不包含它的上界。在外层的枚举中，我们从第 1 行开始，省略了对第 0 行的枚举过程——因为这一行应该被移出屏幕，即它将被下一行的字符覆写。

所以我们实现的 clear_row 方法代码如下：

// in src/vga_buffer.rs

impl Writer {
    fn clear_row(&mut self, row: usize) {
        let blank = ScreenChar {
            ascii_character: b' ',
            color_code: self.color_code,
        };
        for col in 0..BUFFER_WIDTH {
            self.buffer.chars[row][col].write(blank);
        }
    }
}

通过向对应的缓冲区写入空格字符，这个方法能清空一整行的字符位置。

🔗全局接口

编写其它模块时，我们希望无需随时拥有 Writer 实例，便能使用它的方法。我们尝试创建一个静态的 WRITER 变量：

// in src/vga_buffer.rs

pub static WRITER: Writer = Writer {
    column_position: 0,
    color_code: ColorCode::new(Color::Yellow, Color::Black),
    buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
};

我们尝试编译这些代码，却发生了下面的编译错误：

error[E0015]: calls in statics are limited to constant functions, tuple structs and tuple variants
 --> src/vga_buffer.rs:7:17
  |
7 |     color_code: ColorCode::new(Color::Yellow, Color::Black),
  |                 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

error[E0396]: raw pointers cannot be dereferenced in statics
 --> src/vga_buffer.rs:8:22
  |
8 |     buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
  |                      ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ dereference of raw pointer in constant

error[E0017]: references in statics may only refer to immutable values
 --> src/vga_buffer.rs:8:22
  |
8 |     buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
  |                      ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ statics require immutable values

error[E0017]: references in statics may only refer to immutable values
 --> src/vga_buffer.rs:8:13
  |
8 |     buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
  |             ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ statics require immutable values

为了明白现在发生了什么，我们需要知道一点：一般的变量在运行时初始化，而静态变量在编译时初始化。Rust编译器规定了一个称为常量求值器（const evaluator）的组件，它应该在编译时处理这样的初始化工作。虽然它目前的功能较为有限，但对它的扩展工作进展活跃，比如允许在常量中 panic 的一篇 RFC 文档。

关于 ColorCode::new 的问题应该能使用常函数（const functions）解决，但常量求值器还存在不完善之处，它还不能在编译时直接转换裸指针到变量的引用——也许未来这段代码能够工作，但在那之前，我们需要寻找另外的解决方案。

🔗延迟初始化

使用非常函数初始化静态变量是 Rust 程序员普遍遇到的问题。幸运的是，有一个叫做 lazy_static 的包提供了一个很棒的解决方案：它提供了名为 lazy_static! 的宏，定义了一个延迟初始化（lazily initialized）的静态变量；这个变量的值将在第一次使用时计算，而非在编译时计算。这时，变量的初始化过程将在运行时执行，任意的初始化代码——无论简单或复杂——都是能够使用的。

现在，我们将 lazy_static 包导入到我们的项目：

# in Cargo.toml

[dependencies.lazy_static]
version = "1.0"
features = ["spin_no_std"]

在这里，由于程序不连接标准库，我们需要启用 spin_no_std 特性。

使用 lazy_static 我们就可以定义一个不出问题的 WRITER 变量：

// in src/vga_buffer.rs

use lazy_static::lazy_static;

lazy_static! {
    pub static ref WRITER: Writer = Writer {
        column_position: 0,
        color_code: ColorCode::new(Color::Yellow, Color::Black),
        buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
    };
}

然而，这个 WRITER 可能没有什么用途，因为它目前还是不可变变量（immutable variable）：这意味着我们无法向它写入数据，因为所有与写入数据相关的方法都需要实例的可变引用 &mut self。一种解决方案是使用可变静态（mutable static）的变量，但所有对它的读写操作都被规定为不安全的（unsafe）操作，因为这很容易导致数据竞争或发生其它不好的事情——使用 static mut 极其不被赞成，甚至有一些提案认为应该将它删除。也有其它的替代方案，比如可以尝试使用比如 RefCell 或甚至 UnsafeCell 等类型提供的内部可变性（interior mutability）；但这些类型都被设计为非同步类型，即不满足 Sync 约束，所以我们不能在静态变量中使用它们。

🔗自旋锁

要定义同步的内部可变性，我们往往使用标准库提供的互斥锁类 Mutex，它通过提供当资源被占用时将线程阻塞（block）的互斥条件（mutual exclusion）实现这一点；但我们初步的内核代码还没有线程和阻塞的概念，我们将不能使用这个类。不过，我们还有一种较为基础的互斥锁实现方式——自旋锁（spinlock）。自旋锁并不会调用阻塞逻辑，而是在一个小的无限循环中反复尝试获得这个锁，也因此会一直占用 CPU 时间，直到互斥锁被它的占用者释放。

为了使用自旋的互斥锁，我们添加 spin包 到项目的依赖项列表：

# in Cargo.toml
[dependencies]
spin = "0.4.9"

现在，我们能够使用自旋的互斥锁，为我们的 WRITER 类实现安全的内部可变性：

// in src/vga_buffer.rs

use spin::Mutex;
...
lazy_static! {
    pub static ref WRITER: Mutex<Writer> = Mutex::new(Writer {
        column_position: 0,
        color_code: ColorCode::new(Color::Yellow, Color::Black),
        buffer: unsafe { &mut *(0xb8000 as *mut Buffer) },
    });
}

现在我们可以删除 print_something 函数，尝试直接在 _start 函数中打印字符：

// in src/main.rs
#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    use core::fmt::Write;
    vga_buffer::WRITER.lock().write_str("Hello again").unwrap();
    write!(vga_buffer::WRITER.lock(), ", some numbers: {} {}", 42, 1.337).unwrap();

    loop {}
}

在这里，我们需要导入名为 fmt::Write 的 trait，来使用实现它的类的相应方法。

🔗安全性

经过上面的努力后，我们现在的代码只剩一个 unsafe 语句块，它用于创建一个指向 0xb8000 地址的 Buffer 类型引用；在这步之后，所有的操作都是安全的。Rust 将为每个数组访问检查边界，所以我们不会在不经意间越界到缓冲区之外。因此，我们把需要的条件编码到 Rust 的类型系统，这之后，我们为外界提供的接口就符合内存安全原则了。

🔗println! 宏

现在我们有了一个全局的 Writer 实例，我们就可以基于它实现 println! 宏，这样它就能被任意地方的代码使用了。Rust 提供的宏定义语法需要时间理解，所以我们将不从零开始编写这个宏。我们先看看标准库中 println! 宏的实现源码：

#[macro_export]
macro_rules! println {
    () => (print!("\n"));
    ($($arg:tt)*) => (print!("{}\n", format_args!($($arg)*)));
}

宏是通过一个或多个规则（rule）定义的，这就像 match 语句的多个分支。println! 宏有两个规则：第一个规则不要求传入参数——就比如 println!() ——它将被扩展为 print!("\n")，因此只会打印一个新行；第二个要求传入参数——好比 println!("Rust 能够编写操作系统") 或 println!("我学习 Rust 已经{}年了", 3)——它将使用 print! 宏扩展，传入它需求的所有参数，并在输出的字符串最后加入一个换行符 \n。

这里，#[macro_export] 属性让整个包（crate）和基于它的包都能访问这个宏，而不仅限于定义它的模块（module）。它还将把宏置于包的根模块（crate root）下，这意味着比如我们需要通过 use std::println 来导入这个宏，而不是通过 std::macros::println。

print! 宏是这样定义的：

#[macro_export]
macro_rules! print {
    ($($arg:tt)*) => ($crate::io::_print(format_args!($($arg)*)));
}

这个宏将扩展为一个对 io 模块中 _print 函数的调用。$crate 变量将在 std 包之外被解析为 std 包，保证整个宏在 std 包之外也可以使用。

format_args! 宏将传入的参数搭建为一个 fmt::Arguments 类型，这个类型将被传入 _print 函数。std 包中的 _print 函数将调用复杂的私有函数 print_to，来处理对不同 Stdout 设备的支持。我们不需要编写这样的复杂函数，因为我们只需要打印到 VGA 字符缓冲区。

要打印到字符缓冲区，我们把 println! 和 print! 两个宏复制过来，但修改部分代码，让这些宏使用我们定义的 _print 函数：

// in src/vga_buffer.rs

#[macro_export]
macro_rules! print {
    ($($arg:tt)*) => ($crate::vga_buffer::_print(format_args!($($arg)*)));
}

#[macro_export]
macro_rules! println {
    () => ($crate::print!("\n"));
    ($($arg:tt)*) => ($crate::print!("{}\n", format_args!($($arg)*)));
}

#[doc(hidden)]
pub fn _print(args: fmt::Arguments) {
    use core::fmt::Write;
    WRITER.lock().write_fmt(args).unwrap();
}

我们首先修改了 println! 宏，在每个使用的 print! 宏前面添加了 $crate 变量。这样我们在只需要使用 println! 时，不必也编写代码导入 print! 宏。

就像标准库做的那样，我们为两个宏都添加了 #[macro_export] 属性，这样在包的其它地方也可以使用它们。需要注意的是，这将占用包的根命名空间（root namespace），所以我们不能通过 use crate::vga_buffer::println 来导入它们；我们应该使用 use crate::println。

另外，_print 函数将占有静态变量 WRITER 的锁，并调用它的 write_fmt 方法。这个方法是从名为 Write 的 trait 中获得的，所以我们需要导入这个 trait。额外的 unwrap() 函数将在打印不成功的时候 panic；但既然我们的 write_str 总是返回 Ok，这种情况不应该发生。

如果这个宏将能在模块外访问，它们也应当能访问 _print 函数，因此这个函数必须是公有的（public）。然而，考虑到这是一个私有的实现细节，我们添加一个 doc(hidden) 属性，防止它在生成的文档中出现。

🔗使用 println! 的 Hello World

现在，我们可以在 _start 里使用 println! 了：

// in src/main.rs

#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() {
    println!("Hello World{}", "!");

    loop {}
}

要注意的是，我们在入口函数中不需要导入这个宏——因为它已经被置于包的根命名空间了。

运行这段代码，和我们预料的一样，一个 “Hello World!” 字符串被打印到了屏幕上：

🔗打印 panic 信息

既然我们已经有了 println! 宏，我们可以在 panic 处理函数中，使用它打印 panic 信息和 panic 产生的位置：

// in main.rs

/// 这个函数将在 panic 发生时被调用
#[panic_handler]
fn panic(info: &PanicInfo) -> ! {
    println!("{}", info);
    loop {}
}

当我们在 _start 函数中插入一行 panic!("Some panic message"); 后，我们得到了这样的输出：

所以，现在我们不仅能知道 panic 已经发生，还能够知道 panic 信息和产生 panic 的代码。

🔗小结

这篇文章中，我们学习了 VGA 字符缓冲区的结构，以及如何在 0xb8000 的内存映射地址访问它。我们将所有的不安全操作包装为一个 Rust 模块，以便在外界安全地访问它。

我们也发现了——感谢便于使用的 cargo——在 Rust 中使用第三方提供的包是及其容易的。我们添加的两个依赖项，lazy_static 和 spin，都在操作系统开发中及其有用；我们将在未来的文章中多次使用它们。

🔗下篇预告

下一篇文章中，我们将会讲述如何配置 Rust 内置的单元测试框架。我们还将为本文编写的 VGA 缓冲区模块添加基础的单元测试项目。