微机UNIX直接视频图形程序设计

UNIX操作系统提供了X-Window图形窗口系统和OPENLOOK图形用户界面，这些系统不仅昂贵、庞大，而且不便于移植以前开发的DOS图形应用程序。本文介绍利用微机内部硬件控制，针对EGA/VGA图形适配器，进行直接视频图形程序设计。对于比较熟悉PC-AT体系结构和视频程序设计知识的程序员来说，更喜欢后者，因为能有效地利用硬件特性，加快图形处理速度。
进行图形程序设计时，还须考虑视频接口的一个重要特性——虚拟终端功能，因为它允许控制几个独立的图形应用窗口，允许多个应用程序在同一个终端上进行切换。本文提供针对IBM标准终端对虚拟终端进行有效管理的手段。
微机UNIX直接视频图形程序设计有两种方法，一种是利用设备驱动程序(见参考文献1)，另一种是针对IBM标准终端进行编程，本文介绍后者。
一、图形程序设计
1.检测视频适配器
视频显示器是由视频适配器硬件控制的，视频适配器决定了图形方式下显示图形的分辨率及可能的颜色[2]。利用系统调用ioctl中的CONS-CURRENT命令可以检测到当前的视频适配器，即：
ioctl(0,CONS-CURRENT,NULL)
返回-1时表示出错，即没有相应的视频适配器硬件，如果检测到VGA卡则返回值为VGA，如果检测到EGA卡则返回值为EGA，……。
2.初始化图形系统
初始化图形必须完成下列任务。
(1) 获取当前的视频显示方式
ioctl的CONS-GET命令用来判断当前适配器的显示方式，即：
ioctl(0,CONS-GET,NULL)
它返回显示方式的值，这些值在包含文件vtkd.h中均有定义，如：SW-VAG640x480C为VGA适配器设置成640x480分辨率彩色图形模式。
(2) 设置图形模式
直接将图形模式值放入ioctl中的命令项即可设置相应的图形模式，如ioctl(0,SW-VGA640x480C,NULL)
将VGA适配器设置成640x480分辨率的彩色图形模式。
(3) 获取图形模式下视频缓冲区物理地址
利用ioctl的MAPCONS命令可以实现此功能，即：
char *scrnmem;
scrnmem=(char *)ioctl(0,MAPCONS,NULL)
所有实现基本图素的操作都将针对scrnmem进行，scrnmem就是EGA/VGA相应的四个位平面的重叠地址，有关EGA/VGA的结构可参阅[2]。
3.实现基本图素
DOS操作系统下，对EGA/VGA的各种视频I/O寄存器进行操作是很方便的，可以直接使用汇编语言in和out指令进行读写。然而，UNIX操作系统下，对物理硬件的访问都是由UNIX系统核心和设备驱动程序管理的，要访问EGA/VGA的各种I/O寄存器，必须获得对其访问的特权，为了实现这种功能要求，可以使用下列ioctl系统调用方式：
ioctl(0,VGA-IOPRIVL,1) 获取VGA的各种I/O寄存器的访问特权
ioctl(0,EGA-IOPRIVL,1) 获取EGA的各种I/O寄存器的访问特权
UNIX操作系统基本上是采用C语言编写的，只是在低层的系统内核方面才使用低级的汇编语言，遵循这一原则，对EGA/VGA的I/O寄存器的访问可以采用汇编语言，而实现图形系统的基本图素则采用C语言。
如果用户的UNIX系统中已有inb()和outb()函数(嵌入在/usr/include/sys/inline.h中)，则可以直接使用它们完成对各种I/O寄存器的读写，否则，必须编写下列低级汇编语言例程：
/*向一端口输出一字节*/
/*从一端口输入一字节 */
void outb(int port,uchar value)
{
-asm push edx
-asm mov edx,port
-asm mov al,value
-asm out dx,al
-asm pop edx
}
uchar inb(int port)
{
-asm push edx
-asm mov edx,port
-asm in al,dx
-asm pop edx
}
基本图素一般包括：设置颜色，对调色板的操作，画点、线、弧、矩形、圆、椭圆、多边形、画扇形、饼图，任意图形填充，多边形填充，保存屏幕，恢复屏幕等，这些操作均可用C语言实现，细节问题可参阅[2]。
4.关闭图形系统
退出图形系统之前必须恢复EGA/VGA各I/O寄存器的值，并将显示模式恢复到进入图形模式之前的模式。采用下列ioctl调用实现：
ioctl(0,MODESWITCH | oldmode,NULL)
oldmode是进入图形方式之前获取的方式，UNIX系统中，获取的方式和设置的方式之间的关系为：
设置方式值=获取方式值|MODESWITCH
二、虚拟终端的使用
虚拟终端(Virtual Terminal,简称VT)加强了UNIX系统V/386的接口功能，它不仅允许单个用户开发一个图形应用软件，而且允许多用户、多道程序在同一个物理终端上运行，在开始一个用户的应用程序之前不必停止另一个应用程序，而且各个用户之间可以互相切换。
虚拟终端有两种操作方式[1]，一种是自动操作方式(VT-AUTO)，这是默认情况，比较简单，应用程序并不了解终端用户接受或放弃当前VT的请求，这意味着被切换掉的进程的任何输入输出都可能丢失。另一种方式是进程控制方式(VT-PROCESS)，该方式支持应用程序与其它正在使用VT的进程之间同步，应用程序可以负责接受或放弃使用VT。
[1]中介绍了以进程方式控制VT的过程，并以设备驱动程序方式介绍了接受和放弃对VT控制的信号处理例程。本文给出针对IBM标准终端编制VT的程序和相应的信号处理例程。
/* 设置虚拟终端 */
void setvirtualterm(void)
{
struct vt-mode vtmode;
signal(SIGUSR1,release-disp); //release-disp为放弃VT的信号处理例程
signal(SIGUSR2,acquire-disp); //acquire-disp为接受VT的信号处理例程
vtmode.mode=VT_PROCESS; //设置进程控制方式
vtmode.relsig=SIGUSR1;
vtmode.acqsig=SIGUSR2;
if (ioctl(0,VT-SETMODE，&vtmode)==-1) exit(1);//出错即终止此进程
}
/* 放弃VT的信号处理例程 */
void release-disp(void)
{
signal(SIGUSR1,release-disp);
保存整个图形屏幕于内部缓冲区videobuf中；
ioctl(0),MODESWITCH | oldmode,NULL);
//oldmode为进入图形模式之前的显示方式
ioctl(0,VT-RELDISP，VT-TRUE);
//VT-TRUE表明同意放弃VT，如果此项为0，则表示拒绝放弃VT.
}
/* 接受VT的信号处理例程 */
void acquire-disp(void)
{
signal(SIGUSR2,acquire-disp)；
ioctl(0,newmode,NULL);//newmode为应用程序所处的图形模式
scrnmem=(char *)ioctl(0,MAPCONS,NULL);
//重新获取图形缓冲区的物理地址
从videobuf中恢复整个图形屏幕，并释放videobuf;
ioctl(0,VT-RELDISP,VT-ACKACQ); //VT-ACKACQ表明接受VT
}
在微机UNIX操作系统下，针对EGA/VGA进行直接视频程序设计，独立开发一个图形程序包，不仅小巧方便，而且可以重用以前在DOS下开发的图形应用程序。笔者在SCO UNIX系统下开发了一个小的低层图形软件包，许多以前的DOS图形应用程序都可以移植到UNIX系统下来。
另外，本文介绍的程序在使用前还应包含下列文件，即：
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/console.h>
#include<sys/vtkd.h>
#include<termio.h>
#include<sys/signal.h>
分配空间时还应加上#include<malloc.h>

参考文献
1 仲萃豪等.UNIX系统V/386第4版-集成软件开发指南.北京：电子工业出版社，1992.8.
2 张福炎等.微型计算机IBM PC的原理与应用(续二)-图形显示器及其程序设计.南京：南京大学出版社，1990.7.