DOS 時代的經典：VGA 256 色模式下 BMP 位圖顯示完整源碼解析

歷史背景與技術棧

16 位實模式 DOS（Turbo C / Borland C++），直接操作硬體：

• 視頻內存映射：0xA000:0000 (VGA 模式 13h，320×200×256 色)
• I/O 端口：調色板寄存器 0x3C6-0x3C9
• BIOS 中斷：INT 0x10 設置視頻模式
• 文件 I/O：open/read/lseek/close (低級 POSIX 風格)

核心數據結構：BMP 文件格式解析

// 位圖文件頭 (14 字節)
typedef struct {
    uint16_t bfType;      // 'BM' (0x4D42)
    uint32_t bfSize;      // 文件大小
    uint16_t bfReserved1; // 0
    uint16_t bfReserved2; // 0
    uint32_t bfOffBits;   // 數據偏移
} BITMAPFILEHEADER;

// 位圖信息頭 (40 字節，BITMAPINFOHEADER)
typedef struct {
    uint32_t biSize;          // 40
    int32_t  biWidth;         // 寬
    int32_t  biHeight;        // 高 (正數=底部優先)
    uint16_t biPlanes;        // 1
    uint16_t biBitCount;      // 色深：1/4/8/24/32
    uint32_t biCompression;   // 0=BI_RGB 無壓縮
    uint32_t biSizeImage;     // 數據大小
    int32_t  biXPelsPerMeter;
    int32_t  biYPelsPerMeter;
    uint32_t biClrUsed;       // 實際調色板顏色數
    uint32_t biClrImportant;
} BITMAPINFOHEADER;

// 調色板項 (4 字節，BGR 順序 + 保留)
typedef struct {
    uint8_t rgbBlue;
    uint8_t rgbGreen;
    uint8_t rgbRed;
    uint8_t rgbReserved;
} RGBQUAD;

關鍵算法：加載並顯示 8-bit BMP

1. 驗證：bfType == 'BM'、biBitCount == 8、biCompression == 0。
2. 讀取調色板：256 個 RGBQUAD，順序 BGR。需將 8-bit 分量縮放至 6-bit (VGA DAC)：outp(0x3C9, color >> 2)。
3. 設置調色板：

   outp(0x3C6, 0xFF);        // 掩碼寄存器
   outp(0x3C8, index);       // 寫索引端口
   outp(0x3C9, r>>2); outp(0x3C9, g>>2); outp(0x3C9, b>>2);

4. 讀取像素數據並繪製：
   • BMP 掃描行**從下到上**存儲（biHeight > 0）。
   • 每行字節數 = width (8-bit 索引)，**無填充**（8-bit 索引天然字節對齊）。
   • 視頻內存線性：video_mem[y * 320 + x] = index。
   • 代碼採用 lseek(fp, -(height-y)*width, SEEK_END) 從文件末尾倒序讀取每行，直接寫入視頻內存對應行。

完整流程代碼精簡版

#include <stdio.h>, <dos.h>, <conio.h>, <fcntl.h>, <io.h>, <stdlib.h>

#define VGA_256 0x13
#define TEXT_MODE 0x03
#define SCREEN_W 320
#define SCREEN_H 200

unsigned char far *vram = (unsigned char far *)0xA0000000L;

void set_mode(int mode) {
    union REGS r; r.h.ah = 0; r.h.al = mode; int86(0x10, &r, &r);
}

void set_palette(int idx, RGBQUAD *c) {
    outp(0x3C6, 0xFF);
    outp(0x3C8, idx);
    outp(0x3C9, c->rgbRed >> 2);
    outp(0x3C9, c->rgbGreen >> 2);
    outp(0x3C9, c->rgbBlue >> 2);
}

void load_bmp(const char *file) {
    int fp = open(file, O_RDONLY | O_BINARY);
    BITMAPFILEHEADER fh; read(fp, &fh, sizeof(fh));
    BITMAPINFOHEADER ih; read(fp, &ih, sizeof(ih));
    if (fh.bfType != 0x4D42 || ih.biBitCount != 8 || ih.biCompression != 0) { close(fp); exit(1); }

    RGBQUAD pal[256];
    for (int i = 0; i < 256; i++) {
        read(fp, &pal[i].rgbBlue, 1);
        read(fp, &pal[i].rgbGreen, 1);
        read(fp, &pal[i].rgbRed, 1);
        read(fp, &pal[i].rgbReserved, 1);
        set_palette(i, &pal[i]);
    }

    unsigned char line[SCREEN_W];
    for (int y = SCREEN_H - 1; y >= 0; y--) {
        lseek(fp, -(long)(SCREEN_H - y) * SCREEN_W, SEEK_END);
        read(fp, line, SCREEN_W);
        _fmemcpy(vram + y * SCREEN_W, line, SCREEN_W); // far memcpy
    }
    close(fp);
}

int main() {
    set_mode(VGA_256);
    load_bmp("256.bmp");
    getch();
    set_mode(TEXT_MODE);
    return 0;
}

BMP 格式深度補充：掃描行填充與色深

• 掃描行填充：Windows 要求每行字節數為 4 的倍數。

  行字節 = ((寬 * 色深位數 + 31) / 32) * 4
  // 1-bit: 8像素/字節
  // 4-bit: 2像素/字節
  // 8-bit: 1像素/字節 (無填充)
  // 24-bit: 3字節/像素 (需填充)

• 色深對應：
  • 1-bit：單色，2 色調色板
  • 4-bit：16 色，16 項調色板
  • 8-bit：256 色，256 項調色板 (本文重點)
  • 24-bit：真彩色，無調色板，數據直接存 BGR
  • 32-bit：真彩色 + Alpha，無調色板
• 調色板判斷：bfOffBits > 14 + 40 則存在調色板區塊。

現代視角的啟示

1. 幀緩衝區直接寫入：vram[y*width+x] = color 即現代 GPU 繪圖管線的片段著色器邏輯雛形。
2. 調色板 = 查找表 (LUT)：索引色模式本質是「壓縮 + LUT 解壓」，現代纹理壓縮 (BC1-7) 同理。
3. 文件格式解析器：嚴格按規範讀取、驗證、處理填充/端序，是所有圖形/多媒體開發的基礎功夫。
4. 硬體抽象層 (HAL)：當年 int86/outp 直接操作硬體，今有 DirectX/Vulkan/Metal、framebuffer、DRM/KMS 統一抽象。

總結

這段代碼承載了 PC 圖形編程的啟蒙記憶：**模式設置 → 調色板編程 → 線性幀緩衝區寫入 → 文件格式解析**。雖然 DOS 早已退出歷史舞台，但「零拷貝視頻內存寫入、調色板 LUT、掃描行翻轉、二進制格式解析」等核心概念，在現代圖形引擎、視頻解碼器、嵌入式顯示驅動中依然熠熠生輝。