DOS-extender для компилятора Borland C++

DOS
-
extender
для компилятора
Borland
C
++ 3.1, защищенный режим процессора 80286, организация многозадачной работы процессора

1. Введение.

Операционная система MSDOS, не смотря на свое моральное устаревание, все еще довольно часто находит применение на парке старых ПК, а значит, все еще существует необходимость создания программ для нее.

К сожалению, написание программ в реальном режиме процессоров архитектуры Intelx86 осложнено отсутствием возможности использовать в программе оперативную память объемом свыше пресловутых 640 килобайт, а реально свыше 500-620 килобайт. Это ограничение к сожалению преследует MSDOS и аналогичные ей ОС других производителей, начиная с того момента, как горячо любимый в околокомпьютерных кругах Билл Гейтс заявил, что 640 килобайт достаточно для всех возможных задач ПК. Преодоление барьера 640 килобайт в новых версиях MSDOS усложнялось необходимостью совместимости с старыми программами, которые жизненно необходимо было поддерживать. Программирование защищенного режима процессора и расширенной памяти требовало от программистов недюжинных знаний архитектуры процессоров Intel и достаточно трудоемкого программирования.

1.1 Уровни программной поддержки защищенного режима.

Инженерная мысль не стоит на месте, особенно в такой области, как программирование. Задача программной поддержки защищённого режима и поддержки работы с расширенной памятью получила не одно, а сразу несколько решений. Этими решениями стали так называемые уровни программной поддержки защищённого режима и поддержки работы с расширенной памятью:

· интерфейс BIOS;

· интерфейс драйвера HIMEM.SYS;

· интерфейс EMS/VCPI;

· интерфейс DPMI;

· расширители DOS (DOS-экстендеры).

1.1.1 Интерфейс
BIOS.

Интерфейсом самого низкого уровня является интерфейс BIOS, предоставляемый программам в виде нескольких функций прерывания BIOS INT 15h. Интерфейс BIOS позволяет программе перевести процессор из реального режима в защищённый, переслать блок памяти из стандартной памяти в расширенную или из расширенной в стандартную. Этим все его возможности и ограничиваются. Интерфейс BIOS используется для старта мультизадачных операционных систем защищённого режима (таких, как OS/2) или в старых программах, работающих с расширенной памятью в защищённом режиме (например, СУБД ORACLE версии 5.1).

1.1.2 интерфейс драйвера
HIMEM.SYS.

С помощью функций, предоставляемых этим драйвером, программа может выполнять различные действия с блоками расширенной памяти, а также управлять адресной линией A20. Основное различие между способом работы с расширенной памятью драйвера HIMEM.SYS и интерфейсом прерывания BIOS INT 15h заключается в том, что первый выполняет выделение программе и внутренний учёт блоков расширенной памяти, а второй рассматривает всю расширенную память как один непрерывный участок. Однако драйвер HIMEM.SYS не открывает для программ доступ к защищённому режиму. Он полностью работает в реальном режиме, а для обращения к расширенной памяти использует либо недокументированную машинную команду LOADALL (если используется процессор 80286), либо возможности процессора 80386, который позволяет адресовать расширенную память в реальном режиме (при соответствующей инициализации системных регистров и таблиц).

1.1.3 интерфейс
EMS/VCPI.

Используя трансляцию страниц, некоторые драйверы памяти (например, EMM386 или QEMM) могут эмулировать присутствие дополнительной памяти, используя расширенную память. При этом стандартный набор функций управления дополнительной памятью, реализованный в рамках прерывания INT 67h, дополнен еще несколькими функциями для работы в защищённом режиме процессора. Эти новые функции реализуют интерфейс виртуальной управляющей программы VCPI (Virtual Control Programm Interface). Они позволяют устанавливать защищённый и виртуальный режимы работы процессора, работать с расширенной памятью на уровне страниц и устанавливать специальные отладочные регистры процессора i80386. Интерфейс VCPI облегчает использование механизма трансляции страниц, освобождая программиста от необходимости работать с системными регистрами процессора.

1.1.4 интерфейс DPMI.

Интерфейс DPMI (DOSProtectedModeInterface - интерфейс защищённого режима для DOS) реализуется модулем, называющимся сервером DPMI. Этот интерфейс доступен для тех программ, которые работают на виртуальной машине WINDOWS или OS/2 версии 2.0 (позже мы обсудим некоторые детали, связанные с использованием интерфейса DPMI в WINDOWS). Интерфейс DPMI предоставляет полный набор функций для создания однозадачных программ, работающих в защищённом режиме. В этом интерфейсе имеются функции для переключения из реального режима в защищённый и обратно, для работы с локальной таблицей дескрипторов LDT, для работы с расширенной и стандартной памятью на уровне страниц, для работы с прерываниями (в том числе для вызова прерываний реального режима из защищённого режима), для работы с отладочными регистрами процессора i80386. Это наиболее развитый интерфейс из всех рассмотренных ранее.

1.1.5 расширители DOS (DOS-экстендеры).

Последний, самый высокий уровень программной поддержки защищённого режима - расширители DOS или DOS-экстендеры (DOS-extender). Они поставляются, как правило, вместе со средствами разработки программ (трансляторами) в виде библиотек и компонуются вместе с создаваемой программой в единый загрузочный модуль. DOS-экстендеры значительно облегчают использование защищённого режима и расширенной памяти в программах, предназначенных для запуска из среды MS-DOS. Программы, составленные с использованием DOS-экстендеров, внешне очень похожи на обычные программы MS-DOS, однако они получают управление, когда процессор уже находится в защищённом режиме. К формируемому с помощью DOS-экстендера загрузочному модулю добавляются процедуры, необходимые для инициализации защищённого режима. Эти процедуры первыми получают управление и выполняют начальную инициализацию таблиц GDT, LDT, IDT, содержат обработчики прерываний и исключений, систему управления виртуальной памятью и т.д.

1.2 Текущее положение дел в мире
DOS-extender-ов.

Еще несколько лет назад целые фирмы зарабатывали себе на существование созданием различных модификаций DOSextender-ов. Например довольно известный externder фирмы PharLap. После перехода большинства пользователей в среду Win32 необходимость в DOSextender-ах резко сократилась и большинство таких фирм, не сумев сориентироваться в изменившихся условиях, прекратили свое существование.

Многие фирмы, разрабатывавшие компиляторы для DOS, включали в поставку своих сред программирования DOS-extender-ы собственной разработки. Таким примером может служить фирма Borland (ныне подразделение фирмы Corel) с ее BorlandPascal, BorlandC++ и расширителем DOSRTM.

В данный момент доступно несколько DOS-extender-ов по свободной лицензии, которые могут использоваться кем угодно для любых целей. И это понятно, денег на них сейчас не заработаешь.

Примеры таких программ:

ZRDX by Sergey Belyakov

Маленький и функциональный DOS-extender для WatcomC++ и 32-х битных исполняемых файлов формата OS/2 LE. Используется в коммерческих программах, таких как антивирус AVP для DOS32.

WDOSX by Michael Tippach

Самый впечатливший меня DOS-extender. Список поддерживаемых функций просто поражает. Поддерживает все распространенные среды программирования: VisualC++ 4 и позже, BorlandC++ 4 и позже, Delphi 2 и позже. При желании никто не запрещает использовать Assembler.

2. Обоснование выбора средств.

DOS-экстендеры обычно поставляются в комплекте с трансляторами, редакторами связей, отладчиками и библиотеками стандартных функций (например, библиотеками для транслятора языка Си). Код DOS-extender линкуется либо уже к готовому исполняемому файлу специальной программой (чаще), либо линковка полностью проходит при помощи программы-линкера, специально разработанного для данного компилятора.

В настоящий момент науке известны всего один DOS-extender для BorlandC++ 3.1. Это программа фирмы PharLap, не имеющая собственного названия. Фирмы, к сожалению, давно уже нет, как и исходных текстов этого DOS-extender-а. В него входил собственная программа – линкер и набор специальных библиотек функций специально для BorlandC++ 3.1, которой и проводилась окончательная сборка EXE-файла.

Написание собственной среды разработки, вроде программ-линкеров и собственных трансляторов языка Ассемблера явно выходит за переделы данного курсового проекта. Поэтому остановимся на разработке набора функций, позволяющих:

реализовать защищенный режим процессора 80286,

адресовать до 16 Мб памяти,

обрабатывать прерывания реального режима DOS

реализуем набор средств для создания параллельно выполняющихся потоков в среде DOS.

После разработки необходимых средств, напишем программу–пример с их использованием. Собственно это получится не просто программа, а некий прототип многозадачной операционной системы.

Итак, согласно заданию буду пользоваться следующими средствами разработки:

Borland C++ 3.1

Borland Turbo Assembler из поставки Borland C++ 3.1

3. Реализация работы программы в защищенном режиме процессора 80286.

3.1 Адресация защищенного режима процессора 80286.

Логический адрес в защищённом режиме (иногда используется термин "виртуальный адрес") состоит из двух 16-разрядных компонент - селектора и смещения. Селектор записывается в те же сегментные регистры, что и сегментный адрес в реальном режиме. Однако преобразование логического адреса в физический выполняется не простым сложением со сдвигом, а при помощи специальных таблиц преобразования адресов.

В первом приближении можно считать, что для процессора i80286 селектор является индексом в таблице, содержащей базовые 24-разрядные физические адреса сегментов. В процессе преобразования логического адреса в физический процессор прибавляет к базовому 24-разрядному адресу 16-разрядное смещение, т.е. вторую компоненту логического адреса (Рис. 1).

Такая схема формирования физического адреса позволяет непосредственно адресовать 16 мегабайт памяти с помощью 16-разрядных компонент логического адреса.

Таблиц дескрипторов в системе обычно присутствует от одной до нескольких десятков. Но всегда существует так называемая таблица GDT (Global Descriptor Table), в которой обычно хранится описание сегментов самой операционной системы защищенного режима 80286. Таблицы LDT (LocalDescriptorTable) создаются на каждый новый запускаемый процесс в операционной системе, и в них хранится описание сегментов только одной отдельной задачи.

Таблица дескрипторов - это просто таблица преобразования адресов, содержащая базовые 24-разрядные физические адреса сегментов и некоторую другую информацию. То есть каждый элемент таблицы дескрипторов (дескриптор) содержит 24-разрядный базовый адрес сегмента и другую информацию, описывающую сегмент.

Процессор 80286 имеет специальный 5-байтный регистр защищенного режима GDTR, в котором старшие 3 байта содержат 24-разрядный физический адрес таблицы GDT, младшие два байта - длину таблицы GDT, уменьшенную на 1.

Рис. 1. Схема преобразования логического адреса в физический в защищенном режиме процессора 80286.

Перед переходом в защищённый режим программа должна создать в оперативной памяти таблицу GDT и загрузить регистр GDTR при помощи специальной команды LGDT.

Каждый элемент таблицы дескрипторов имеет следующий формат:

Общая его длина составляет 8 байт, в которых расположены следующие поля:

поле базового адреса длиной 24 бита содержит физический адрес сегмента, описываемого данным дескриптором;

поле предела содержит размер сегмента в байтах, уменьшенный на единицу;

поле доступа описывает тип сегмента (сегмент кода, сегмент данных и др.);

зарезервированное поле длиной 16 бит для процессора i80286 должно содержать нули, это поле используется процессорами i80386 и i80486 (там, в частности, хранится старший байт 32-разрядного базового адреса сегмента).

Поле доступа, занимающее в дескрипторе один байт (байт доступа) служит для классификации дескрипторов. На рис. 2 приведены форматы поля доступа для трёх типов дескрипторов - дескрипторов сегментов кода, сегментов данных и системных.

Рис. 2. Форматы поля доступа дескриптора.

Поле доступа дескриптора сегментов кода содержит битовое поле R, называемое битом разрешения чтения сегмента. Если этот бит установлен в 1, программа может считывать содержимое сегмента кода. В противном случае процессор может только выполнять этот код.

Биты P и A предназначены для организации виртуальной памяти. Их назначение будет описано в разделе, посвящённом виртуальной памяти. Сейчас отметим, что бит P называется битом присутствия сегмента в памяти. Для тех сегментов, которые находятся в физической памяти (мы будем иметь дело в основном с такими сегментами) этот бит должен быть установлен в 1.

Любая попытка программы обратиться к сегменту памяти, в дескрипторе которого бит P установлен в 0, приведёт к прерыванию.

Бит A называется битом обращения к сегменту и для всех наших программ должен быть установлен в 0.

Поле доступа дескриптора сегмента данных имеет битовые поля W и D. Поле W называется битом разрешения записи в сегмент. Если этот бит установлен в 1, наряду с чтением возможна и запись в данный сегмент. В противном случае при попытке чтения выполнение программы будет прервано.

Поле D задаёт направление расширения сегмента. Обычный сегмент данных расширяется в область старших адресов (расширение вверх). Если же в сегменте расположен стек, расширение происходит в обратном направлении - в область младших адресов (расширение вниз). Для сегментов, в которых организуются стеки, необходимо устанавливать поле D равным 1.

Рассмотрим, как таблица дескрипторов будет выглядеть на языке программирования C. (В дальнейшем где это только возможно будем применять язык С, а Ассемблер – только там, где это необходимо.):

typedef struct descriptor

{

wordlimit; // Предел (размер сегмента в байтах)

wordbase_lo; // Базовый адрес сегмента (младшее слово)

unsignedcharbase_hi; // Базовый адрес сегмента (старший байт)

unsignedchar type_dpl; // Поле доступа дескриптора

unsignedreserved; // Зарезервированные 16 бит

} descriptor;

Данная структура описана в файле tos.h.

Инициализацию экземпляра такой структуры можно произвести при помощи функции, подобной функции init_gdt_descriptor, описанной в файле tos.c:

void init_gdt_descriptor(descriptor *descr,

unsigned long base,

word limit,

unsigned char type)

{

// Младшее слово базового адреса

descr->base_lo = (word)base;

// Старший байт базового адреса

descr->base_hi = (unsigned char)(base >> 16);

// Поле доступа дескриптора

descr->type_dpl = type;

// Предел

descr->limit = limit;

// Зарезервированное поле, должно быть

// сброшено в 0 всегда (для процессоров 286)

descr->reserved = 0;

}

Например, запись в третий по счёту элемент GDT информации о сегменте данных с сегментным адресом _DS и пределом 0xffff будет выглядеть так:

init_gdt_descriptor(&gdt[2], MK_LIN_ADDR(_DS, 0), 0xffffL,

TYPE_DATA_DESCR | SEG_PRESENT_BIT | SEG_WRITABLE);

Макрос MK_LIN_ADDR определен в файле tos.h и служит для преобразования адреса реального режима формата сегмент:смещение в физический адрес:

#define MK_LIN_ADDR(seg,off) (((unsigned long)(seg))<<4)+(word)(off)

Специальный регистр процессора 286 LDTR имеет длину 16 разрядов и содержит селектор дескриптора, описывающего текущую таблицу LDT.

В данном курсовом проекте я не использую регистр LDTR и не создаю таблицы LDT, в моем варианте достаточно обойтись только одним кольцом защиты (0) процессора и только таблицей GDT.

3.2 Переход в защищенный режим процессора 80286

При переходе в защищенный режим программа совершает следующие операции:

Подготовка в оперативной памяти глобальной таблицы дескрипторов GDT. В этой таблице создаются дескрипторы для всех сегментов, которые будут нужны программе сразу после того, как она переключится в защищённый режим.

Для обеспечения возможности возврата из защищённого режима в реальный записывает адрес возврата в реальный режим в область данных BIOS по адресу 0040h:0067h, а также пишет в CMOS-память в ячейку 0Fh код 5. Этот код обеспечит после выполнения сброса процессора передачу управления по адресу, подготовленному нами в области данных BIOS по адресу 0040h:0067h.

Запрещает все маскируемые и немаскируемые прерывания.

Открывает адресную линию A20 (попробуем оперировать блоками памяти выше 1 Мб).

Запоминает в оперативной памяти содержимое сегментных регистров, которые необходимо сохранить для возврата в реальный режим, в частности, указатель стека реального режима.

Программирует контроллер прерываний для работы в защищенном режиме.

Загружает регистры IDTR и GDTR.

Необходимые функции для этого реализованы в файлах tos.c и TOSSYST.ASM:

Подготовка GDT осуществляется при помощи описанных выше функции init_gdt_descriptor() и макроса MK_LIN_ADDR().

Остальные действия, необходимые для перехода в защищенный режим, описаны в функции protected_mode() модуля TOSSYST.ASM:

Обеспечение возможности возврата в реальный режим:

push ds ; готовим адрес возврата

mov ax,40h ; из защищённого режима

mov ds,ax

mov [WORD 67h],OFFSET shutdown_return

mov [WORD 69h],cs

pop ds

Запрет прерываний:

сli

in al, INT_MASK_PORT

and al, 0ffh

out INT_MASK_PORT, al

mov al,8f

out CMOS_PORT,al

Открытие линии A20 производится вызовом функции enable_a20(), описанной в файле TOSSYST.ASM:

PROC enable_a20 NEAR

mov al,A20_PORT

out STATUS_PORT,al

mov al,A20_ON

out KBD_PORT_A,al

ret

ENDP enable_a20

Запоминаем содержимое сегментных регистров SS и ES:

mov [real_ss],ss

mov [real_es],es

Программируем при помощи функции set_int_ctrlr(), описанной в файле TOSSYST.ASM каскад контроллеров прерываний (Master и Slave) для работы в защищенном режиме (описание работы прерываний в защищенном режиме приведено ниже):

mov dx,MASTER8259A

mov ah,20

call set_int_ctrlr

mov dx,SLAVE8259A

mov ah,28

call set_int_ctrlr

Загружаем регистры IDTR и GDTR:

lidt [FWORD idtr]

lgdt [QWORD gdt_ptr]

И, напоследок, переключаем процессор в защищенный режим:

mov ax, 0001h

lmsw ax

3.3 Возврат в реальный режим процессора.

Для того, чтобы вернуть процессор 80286 из защищённого режима в реальный, необходимо выполнить аппаратный сброс (отключение) процессора. Это реализуется в функции real_mode(), описанной в файле TOSSYST.ASM:

PROC _real_mode NEAR

; Сброс процессора

cli

mov [real_sp], sp

mov al, SHUT_DOWN

out STATUS_PORT, al

rmode_wait:

hlt

jmp rmode_wait

LABEL shutdown_return FAR

; Вернулись в реальный режим

mov ax, DGROUP

mov ds, ax

assume ds:DGROUP

mov ss,[real_ss]

mov sp,[real_sp]

; Размаскируем все прерывания

in al, INT_MASK_PORT

and al, 0

out INT_MASK_PORT, al

call disable_a20

mov ax, DGROUP

mov ds, ax

mov ss, ax

mov es, ax

mov ax,000dh

out CMOS_PORT,al

sti

ret

ENDP _real_mode

Функция disable_a20(), описанная в файле TOSSYST.ASM закрывает адресную линию A20:

PROC disable_a20 NEAR

push ax

mov al, A20_PORT

out STATUS_PORT, al

mov al ,A20_OFF

out KBD_PORT_A, al

pop ax

ret

ENDP disable_a20

3.4 Обработка прерываний в защищенном режиме.

Обработка прерываний и исключений в защищённом режиме по аналогии с реальным режимом базируется на таблице прерываний. Но таблица прерываний защищённого режима является таблицей дескрипторов, которая содержит так называемые вентили прерываний, вентили исключений и вентили задач.

Таблица прерываний защищённого режима называется дескрипторной таблицей прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). Также как и таблицы GDT и LDT, таблица IDT содержит 8-байтовые дескрипторы. Причём это системные дескрипторы - вентили прерываний, исключений и задач. Поле TYPE вентиля прерывания содержит значение 6, а вентиля исключения - значение 7.

Формат элементов дескрипторной таблицы прерываний IDT показан на рис. 3.

Рис. 3. Формат элементов дескрипторной таблицы прерываний IDT.

Расположение определяется содержимым 5-байтового внутреннего регистра процессора IDTR. Формат регистра IDTR полностью аналогичен формату регистра GDTR, для его загрузки используется команда LIDT. Так же, как регистр GDTR содержит 24-битовый физический адрес таблицы GDT и её предел, так и регистр IDTR содержит 24-битовый физический адрес дескрипторной таблицы прерываний IDT и её предел.

Регистр IDTR программа загружает перед переходом в защищённый режим, в функции protected_mode() модуля TOSSYST.ASM при помощи вызова функции set_int_ctrlr(), описанной в файле TOSSYST.ASM.

Для обработки особых ситуаций - исключений - разработчики процессора i80286 зарезервировали 31 номер прерывания. Каждому исключению соответствует одна из функций exception_XX() из модуля EXCEPT.C. Собственно, описав реакцию программы на каждое исключение можно обрабатывать любые ошибки защищенного режима. В моем случае достаточно завершать программу при возникновении любого исключения с выдачей на экран номера возникшего исключения. Поэтому функции exception_XX() просто вызывают prg_abort(), описанной там же, и передают ей номер возникшего исключения. Функция prg_abort() переключает процессор в реальный режим, выводит сообщение с данными возникшего исключения и завершает работу программы.

Теперь разберемся с аппаратными прерываниями, которые нас не интересуют в данной программе, однако это не мешает им происходить. Для этого в модуле INTPROC.C описаны две функции заглушки iret0() и iret1(), которые собственно ничего не делают кроме того, что выдают на контроллеры команды конца прерывания. Функция iret0() относится к первому контроллеру (Master), а вторая – ко второму (Slave).

Неплохо было бы включить в программу поддержку программного прерывания 30h, чтобы можно было получать данные с клавиатуры. Это реализовано в модуле KEYBOARD.ASM, в функции Int_30h_Entry(). В IDT помещается вентиль программного прерывания, который вызывает данную функцию в момент прерывания 30h.

После запуска программа переходит в защищённый режим и размаскирует прерывания от таймера и клавиатуры. Далее она вызывает в цикле прерывание int 30h (ввод символа с клавиатуры), и выводит на экран скан-код нажатой клавиши и состояние переключающих клавиш (таких, как CapsLock, Ins, и т.д.). Если окажется нажатой клавиша ESC, программа выходит из цикла.

Обработчик аппаратного прерывания клавиатуры - процедура с именем Keyb_int из модуля KEYBOARD.ASM. После прихода прерывания она выдаёт короткий звуковой сигнал (функция beep() из модуля TOSSYST.ASM), считывает и анализирует скан-код клавиши, вызвавшей прерывание. Скан-коды классифицируются на обычные и расширенные (для 101-клавишной клавиатуры). В отличие от прерывания BIOS INT 16h, мы для простоты не стали реализовывать очередь, а ограничились записью полученного скан-кода в глобальную ячейку памяти key_code. Причём прерывания, возникающие при отпускании клавиш, игнорируются.

Запись скан-кода в ячейку key_code выполняет процедура Keyb_PutQ() из модуля KEYBOARD.ASM. После записи эта процедура устанавливает признак того, что была нажата клавиша - записывает значение 0FFh в глобальную переменную key_flag.

Программное прерывание int 30h опрашивает состояние key_flag. Если этот флаг оказывается установленным, он сбрасывается, вслед за чем обработчик int 30h записывает в регистр AX скан-код нажатой клавиши, в регистр BX - состояние переключающих клавиш на момент нажатия клавиши, код которой передан в регистре AX.

Ну и последнее, требующееся прерывание – это аппаратное прерывание таймера. Обработка этого прерывания реализована в функции Timer_int() модуля TIMER.C. Эта функция служит для переключения процессора между задачами. Более подробно я рассмотрю ее работу в следующей главе курсового проекта.

Структура элемента дескрипторной таблицы прерываний IDT описана в файле tos.inc:

STRUC idtr_struc

idt_len dw 0

idt_low dw 0

idt_hi db 0

rsrv db 0

ENDS idtr_struc

3.5 Реализация мультизадачности.

Я пошел в данном курсовом проекте самым простым способом – реализации мультизадачности через аппаратный таймер компьютера. Реализация более сложных алгоритмов явно тянет на дипломный проект.

Как известно, таймер вырабатывает прерывание IRQ0 примерно 18,2 раза в секунду. Можно использовать данный факт для переключения между задачами, выделяя каждой квант времени. Я не буду здесь реализовывать механизм приоритетов задач. Все выполняемые задачи имеют равный приоритет.

Для реализации разделения ресурсов компьютера между задачами и их взаимодействию друг с другом и средой исполнения (можно даже ее назвать операционной системой), я реализовал механизм семафоров.

В моем случае семафор представляет собой ячейку памяти, отражающая текущее состояние ресурса - свободен или занят.

Я иду еще на одно упрощение - не создаю здесь таблицы LDT для каждой задачи. Все-таки это не настоящая ОС, а ее так скажем, модель.

Настоящие многозадачные ОС квантуют время не на уровне программы, а на уровне задачи, так как каждая программа может иметь несколько параллельно выполняющихся потоков. Я не буду здесь организовывать механизм потоков. Это, я думаю, простительно, так как он не реализован полностью даже в Linux. Буду исходить из предпосылки, что одна программа равна одной задаче.

3.5.1 Контекст задачи.

Для хранения контекста неактивной в настоящей момент задачи процессор i80286 использует специальную область памяти, называемую сегментом состояния задачи TSS (Task State Segment). Формат TSS представлен на рис. 4.

Рис. 4. Формат сегмента состояния задачи TSS.

Сегмент TSS адресуется процессором при помощи 16-битного регистра TR (Task Register), содержащего селектор дескриптора TSS, находящегося в глобальной таблице дескрипторов GDT (рис. 5).

Рис. 5. Дескриптор сегмента состояния задачи TSS.

Многозадачная операционная система для каждой задачи должна создавать свой TSS. Перед тем как переключиться на выполнение новой задачи, процессор сохраняет контекст старой задачи в её сегменте TSS.

Сегмент состояния задачи описан в файле tos.h:

typedef struct tss

{

word link; // поле обратной связи

word sp0; // указатель стека кольца 0

word ss0;

word sp1; // указатель стека кольца 1

word ss1;

word sp2; // указатель стека кольца 1

word ss2;

word ip; // регистры процессора

word flags;

word ax;

word cx;

word dx;

word bx;

word sp;

word bp;

word si;

word di;

word es;

word cs;

word ss;

word ds;

word ldtr;

} tss;

3.5.2 Переключение задач.

В качестве способа переключения между задачами выберем команду JMP. Неудобство в этом случае представляет то, что если, к примеру, задача 1 вызвала задачу 2, то вернуться к задаче 2 можно только вызвав снова команду JMP и передав ей TSS задачи 1.

Реализация альтернативного метода через команду CALL позволяет создавать механизм вложенных вызовов задач, но выглядит гораздо более трудоемким и требует организации вентилей вызова задач.

Функция переключения задач называется jump_to_task() и реализована в модуле TOSSYST.ASM:

PROC _jump_to_task NEAR

push bp

mov bp,sp

mov ax,[bp+4] ; получаем селектор

; новой задачи

mov [new_select],ax ; запоминаем его

jmp [DWORD new_task] ; переключаемся на

; новую задачу

pop bp

ret

ENDP _jump_to_task

Переключение задач происходит в функции Timer_int() из модуля TIMER.C. Эта функция вызывается по прерыванию таймера. Выбор какая задача получит процессор в данный момент решает диспетчер задач, организованный как функция dispatcher(), описанная в модуле TIMER.C. Диспетчер работает по самому простому алгоритму – по кругу переключает процессор между задачами.

3.5.3 Разделение ресурсов.

Разделение ресурсов для задач организовано в файле SEMAPHOR.C. Сам семафор представляет собой целое 2-х байтное число (int). В принципе можно было обойтись и одним битом, но это требует несколько более сложного кода.

Так как операционная система у меня получается ну очень крошечная, я думаю будет достаточно предположить, что максимальное количество семафоров в системе будет равно 5. Поэтому в файле SEMAPHOR.C задан статический массив из 5 семафоров:

word semaphore[5];

Работа задач с семафорами организуется при помощи 3-х функций:

sem_clear() – процедура сброса семафора,

sem_set() – процедура установки семафора,

sem_wait() – процедура ожидания семафора.

3.5.4 Задачи.

Исполняющиеся задачи организованы как просто функции, в модуле TASKS.C.

Задача task1() выполняется единократно, после чего передает управление операционной системе.

Задачи task2() и flipflop_task() работают в бесконечных циклах, рисуя на экране двигающиеся линии, тем самым обозначая свою работу. Задача flipflop_task() работает с меньшим периодом и только тогда, когда установлен семафор 1.

Задача keyb_task() вводит символы с клавиатуры и отображает скан-коды нажатых клавиш, а также состояние переключающих клавиш на экране. Если нажимается клавиша ESC, задача устанавливает семафор номер 0. Работающая параллельно главная задача ожидает установку этого семафора. Как только семафор 0 окажется установлен, главная задача завершает свою работу и программа возвращает процессор в реальный режим, затем передаёт управление MS-DOS.

4. Полные исходные тексты программы.

4.1 Файл TOS.INC. Определение констант и структур для модулей, составленных на языке ассемблера.

CMOS_PORT equ 70h

PORT_6845 equ 63h

COLOR_PORT equ 3d4h

MONO_PORT equ 3b4h

STATUS_PORT equ 64h

SHUT_DOWN equ 0feh

INT_MASK_PORT equ 21h

VIRTUAL_MODE equ 0001

A20_PORT equ 0d1h

A20_ON equ 0dfh

A20_OFF equ 0ddh

EOI equ 20h

MASTER8259A equ 20h

SLAVE8259A equ 0a0h

KBD_PORT_A equ 60h

KBD_PORT_B equ 61h

L_SHIFT equ 0000000000000001b

NL_SHIFT equ 1111111111111110b

R_SHIFT equ 0000000000000010b

NR_SHIFT equ 1111111111111101b

L_CTRL equ 0000000000000100b

NL_CTRL equ 1111111111111011b

R_CTRL equ 0000000000001000b

NR_CTRL equ 1111111111110111b

L_ALT equ 0000000000010000b

NL_ALT equ 1111111111101111b

R_ALT equ 0000000000100000b

NR_ALT equ 1111111111011111b

CAPS_LOCK equ 0000000001000000b

SCR_LOCK equ 0000000010000000b

NUM_LOCK equ 0000000100000000b

INSERT equ 0000001000000000b

STRUC idtr_struc

idt_len dw 0

idt_low dw 0

idt_hi db 0

rsrv db 0

ENDS idtr_struc

4.2 Файл
TOS.H. Определение констант и структур для модулей, составленных на языке Си.

#define word unsigned int

// Селекторы, определённые в GDT

#define CODE_SELECTOR 0x08 // сегмент кода

#define DATA_SELECTOR 0x10 // сегмент данных

#define TASK_1_SELECTOR 0x18 // задача TASK_1

#define TASK_2_SELECTOR 0x20 // задача TASK_2

#define MAIN_TASK_SELECTOR 0x28 // главная задача

#define VID_MEM_SELECTOR 0x30 // сегмент видеопамяти

#define IDT_SELECTOR 0x38 // талица IDT

#define KEYBIN_TASK_SELECTOR 0x40 // задача ввода с клавиатуры

#define KEYB_TASK_SELECTOR 0x48 // задача обработки

// клавиатурного прерывания

#define FLIP_TASK_SELECTOR 0x50 // задача FLIP_TASK

// Байт доступа

typedef struct

{

unsigned accessed : 1;

unsigned read_write : 1;

unsigned conf_exp : 1;

unsigned code : 1;

unsigned xsystem : 1;

unsigned dpl : 2;

unsigned present : 1;

} ACCESS;

// Структура дескриптора

typedef struct descriptor

{

word limit; // Предел (размер сегмента в байтах)

word base_lo; // Базовый адрес сегмента (младшее слово)

unsigned char base_hi; // Базовый адрес сегмента (старший байт)

unsigned char type_dpl; // Поле доступа дескриптора

unsigned reserved; // Зарезервированные 16 бит

} descriptor;

// Структура вентиля вызова, задачи, прерывания,

// исключения

typedef struct gate

{

word offset;

word selector;

unsigned char count;

unsigned char type_dpl;

word reserved;

} gate;

// Структура сегмента состояния задачи TSS

typedef struct tss

{

word link; // поле обратной связи

word sp0; // указатель стека кольца 0

word ss0;

word sp1; // указатель стека кольца 1

word ss1;

word sp2; // указатель стека кольца 1

word ss2;

word ip; // регистры процессора

word flags;

word ax;

word cx;

word dx;

word bx;

word sp;

word bp;

word si;

word di;

word es;

word cs;

word ss;

word ds;

word ldtr;

} tss;

// Размеры сегментов и структур

#define TSS_SIZE (sizeof(tss))

#define DESCRIPTOR_SIZE (sizeof(descriptor))

#define GATE_SIZE (sizeof(gate))

#define IDT_SIZE (sizeof(idt))

// Физические адреса видеопамяти для цветного

// и монохромного видеоадаптеров

#define COLOR_VID_MEM 0xb8000L

#define MONO_VID_MEM 0xb0000L

// Видеоржеимы

#define MONO_MODE 0x07 // монохромный

#define BW_80_MODE 0x02 // монохромный, 80 символов

#define COLOR_80_MODE 0x03 // цветной, 80 символов

// Значения для поля доступа

#define TYPE_CODE_DESCR 0x18

#define TYPE_DATA_DESCR 0x10

#define TYPE_TSS_DESCR 0x01

#define TYPE_CALL_GATE 0x04

#define TYPE_TASK_GATE 0x85

#define TYPE_INTERRUPT_GATE 0x86

#define TYPE_TRAP_GATE 0x87

#define SEG_WRITABLE 0x02

#define SEG_READABLE 0x02

#define SEG_PRESENT_BIT 0x80

// Константы для обработки аппаратных

// прерываний

#define EOI 0x20

#define MASTER8259A 0x20

#define SLAVE8259A 0xa0

// Макро для формирования физического

// адреса из компонент сегменоного адреса

// и смещения

#define MK_LIN_ADDR(seg,off) (((unsigned long)(seg))<<4)+(word)(off)

// Тип указателя на функцию типа void без параметров

typedef void (func_ptr)(void);

4.3 Файл
TOS.H. Основной файл программы.

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <dos.h>

#include <conio.h>

#include "tos.h"

// --------------------------------

// Определения вызываемых функций

// --------------------------------

// Инициализация защищенного режима и вход в него

void Init_And_Protected_Mode_Entry(void);

void protected_mode(unsigned long gdt_ptr, unsigned int gdt_size,

word cseg, word dseg);

word load_task_register(word tss_selector);

void real_mode(void);

void jump_to_task(word tss_selector);

void load_idtr(unsigned long idt_ptr, word idt_size);

void Keyb_int(void);

void Timer_int(void);

void Int_30h_Entry(void);

extern word kb_getch(void);

void enable_interrupt(void);

void task1(void);

void task2(void);

void flipflop_task(void);

void keyb_task(void);

void init_tss(tss *t, word cs, word ds,

unsigned char *sp, func_ptr ip);

void init_gdt_descriptor(descriptor *descr, unsigned long base,

word limit, unsigned char type);

void exception_0(void); //{ prg_abort(0); }

void exception_1(void); //{ prg_abort(1); }

void exception_2(void); //{ prg_abort(2); }

void exception_3(void); //{ prg_abort(3); }

void exception_4(void); //{ prg_abort(4); }

void exception_5(void); //{ prg_abort(5); }

void exception_6(void); //{ prg_abort(6); }

void exception_7(void); //{ prg_abort(7); }

void exception_8(void); //{ prg_abort(8); }

void exception_9(void); //{ prg_abort(9); }

void exception_A(void); //{ prg_abort(0xA); }

void exception_B(void); //{ prg_abort(0xB); }

void exception_C(void); //{ prg_abort(0xC); }

void exception_D(void); //{ prg_abort(0xD); }

void exception_E(void); //{ prg_abort(0xE); }

void exception_F(void); //{ prg_abort(0xF); }

void exception_10(void); //{ prg_abort(0x10); }

void exception_11(void); //{ prg_abort(0x11); }

void exception_12(void); //{ prg_abort(0x12); }

void exception_13(void); //{ prg_abort(0x13); }

void exception_14(void); //{ prg_abort(0x14); }

void exception_15(void); //{ prg_abort(0x15); }

void exception_16(void); //{ prg_abort(0x16); }

void exception_17(void); //{ prg_abort(0x17); }

void exception_18(void); //{ prg_abort(0x18); }

void exception_19(void); //{ prg_abort(0x19); }

void exception_1A(void); //{ prg_abort(0x1A); }

void exception_1B(void); //{ prg_abort(0x1B); }

void exception_1C(void); //{ prg_abort(0x1C); }

void exception_1D(void); //{ prg_abort(0x1D); }

void exception_1E(void); //{ prg_abort(0x1E); }

void exception_1F(void); //{ prg_abort(0x1F); }

void iret0(void);

void iret1(void);

// --------------------------------------

// Глобальная таблица дескрипторов GDT

// --------------------------------------

descriptor gdt[11];

// --------------------------------------

// Дескрипторная таблица прерываний IDT

// --------------------------------------

gate idt[] =

{

// Обработчики исключений

{ (word)&exception_0, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 0

{ (word)&exception_1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 1

{ (word)&exception_2, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 2

{ (word)&exception_3, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 3

{ (word)&exception_4, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 4

{ (word)&exception_5, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 5

{ (word)&exception_6, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 6

{ (word)&exception_7, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 7

{ (word)&exception_8, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 8

{ (word)&exception_9, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 9

{ (word)&exception_A, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // A

{ (word)&exception_B, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // B

{ (word)&exception_C, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // C

{ (word)&exception_D, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // D

{ (word)&exception_E, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // E

{ (word)&exception_F, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // F

{ (word)&exception_10, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 10

{ (word)&exception_11, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 11

{ (word)&exception_12, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 12

{ (word)&exception_13, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 13

{ (word)&exception_14, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 14

{ (word)&exception_15, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 15

{ (word)&exception_16, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 16

{ (word)&exception_17, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 17

{ (word)&exception_18, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 18

{ (word)&exception_19, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 19

{ (word)&exception_1A, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 1A

{ (word)&exception_1B, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 1B

{ (word)&exception_1C, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 1C

{ (word)&exception_1D, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 1D

{ (word)&exception_1E, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 1E

{ (word)&exception_1F, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_TRAP_GATE, 0 }, // 1F

// Обработчик прерываний таймера

{ (word)&Timer_int, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 20

// { (word)&Keyb_int, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 21

// Вентиль задачи, запускающейся по прерыванию от клавиатуры

{ 0, KEYB_TASK_SELECTOR, 0, TYPE_TASK_GATE, 0 }, // 21

// Заглушки для остальных аппаратных прерываний

{ (word)&iret0, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 22

{ (word)&iret0, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 23

{ (word)&iret0, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 24

{ (word)&iret0, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 25

{ (word)&iret0, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 26