4. МУЛЬТИЗАДАЧНОСТЬ В ПРОЦЕССОРЕ I80286
4.1. Задача и сегмент состояния задачи
4.2. Переключение задач
4.3. Синхронизация задач и семафоры
4.4. Пример мультизадачного монитора
В подавляющем большинстве программы, составленные для реального
режима процессора, выполняются в однозадачном режиме, полностью
монополизируя все ресурсы компьютера. Однако в реальной жизни
человеку, работающему с компьютером требуется одновременный доступ
к двум или большему числу программ.
Подтверждением этому служит наличие огромного количества резидентных
программ - от простейших часов и калькуляторов до сложных резидентных
интегрированных сред, аналогичных Borland SideKick.
Резидентные программы, за редким исключением, не реализуют настоящую
мультизадачность. Обычно с помощью резидентных программ вы можете
только переключаться от одной запущенной программы к другой. Типичный
пример "мультизадачной" резидентной программы - часы,
которые работают параллельно с другими программами и постоянно
показывают время в заранее определённом месте экрана. Другой пример
- резидентная программа фоновой печати PRINT, входящая в состав
MS-DOS.
Использование резидентных программ - не самый лучший способ организации
переключения задач. Это связано с возникновением конфликтов между
различными резидентными программами - например, по клавишам их
активизации или по используемым прерыванием.
Учитывая необходимость реализации переключения программ, фирма
Microsoft в операционной системе MS-DOS версии 5.0 реализовала
переключатель программ, встроенный в диалоговую оболочку DOSSHELL.
Эта оболочка позволяет запустить на выполнение несколько программ
и переключаться от одной к другой. Но активна только одна задача
- та, на которую переключился пользователь. Остальные находятся
в "замороженном" состоянии.
Однако часто бывает необходимо, чтобы программы работали в режиме
разделения времени процессора. В этих случаях нужно использовать
операционную систему, работающую в мультизадачном режиме - OS/2,
UNIX, XENIX, WINDOWS, DeskView.
Мультизадачность позволяет не только задействовать все ресурсы
современных персональных компьютеров, но и существенно повышает
производительность труда. Например, вы с помощью модема принимаете
файл размером 1-2 мегабайта. Скорость передачи данных по телефонным
линиям редко превышает 2400 бит в секунду, поэтому в худшем случае
процесс получения файла может растянуться на часы. Без использования
мультизадачности ваш компьютер всё это время будет занят только
приёмом файла. Более того, в основном он будет находиться в состоянии
ожидания, так как передача данных производится очень медленно.
Без мультизадачности вы обречены ждать завершения процесса и не
сможете выполнять на компьютере никакую другую работу, что само
по себе весьма печально. И это несмотря на то, что компьютер практически
ничем не загружен!
Как же можно организовать мультизадачность? Самый простой способ
заключается в использовании таймера.
Напомним, что таймер вырабатывает прерывание IRQ0 примерно 18,2
раза в секунду. Операционная система может использовать это прерывание
для переключения с одной выполняющейся программы на другую, предоставляя
каждой программе квант времени. При этом у пользователя компьютера
возникнет иллюзия параллельной работы нескольких программ.
К сожалению, из-за ограниченного объёма книги мы не сможем подробно
обсудить все проблемы, связанные с организацией мультизадачности.
В конце книги есть список литературы, в которой эти вопросы рассмотрены
более подробно. Однако мы тем не менее остановимся на нескольких
принципиальных моментах (которые, кстати, напрямую не связаны
с защищённым режимом работы процессора).
Первый момент связан с загрузкой программ. В мультизадачной среде
одновременно работают несколько программ. Они должны либо все
одновременно находиться в оперативной памяти, либо загружаться
туда по мере необходимости с магнитного диска.
Если программы загружены в память одновременно, то для каждой
из них, разумеется, должна быть выделена своя область памяти.
Как для программ, так и для областей данных, принадлежащих этим
программам.
Для обеспечения надёжной работы программ было бы также неплохо
изолировать эти области памяти друг от друга для предотвращения
случайного или преднамеренного доступа за пределы выделенной области
памяти.
Второй момент - процесс переключения от выполнения одной программы
к выполнению другой. Инициатором этого процесса обычно является
таймер, генерирующий периодические прерывания.
При переключении необходимо полностью сохранить контекст выполняемой
программы, чтобы в дальнейшем можно было бы продолжить её выполнение
с прерванного места. Под контекстом программы мы здесь понимаем
содержимое регистров центрального процессора (а также регистров
арифметического сопроцессора, если он используется одновременно
несколькими программами).
Третий момент связан с необходимостью обеспечения взаимодействия
параллельно работающих программ. Программы должны иметь возможность
получать доступ к аппаратным ресурсам компьютера, к сервису операционной
системы. Кроме того, программы должны уметь обмениваться друг
с другом данными и сигнализировать друг другу (а также операционной
системе) о возникновении каких либо событий.
При монопольном использовании компьютера в однозадачном режиме
все ресурсы компьютера находятся во владении запущенной программы.
Но если одновременно работают несколько программ и все они хотят
вывести что-нибудь на экран дисплея... В этом случае должен существовать
механизм, обеспечивающий совместное использование ресурсов компьютера
параллельно работающими программами.
Ситуация напоминает железнодорожный переезд - движение разрешено
либо поездам, либо автомобилям, но не одновременно и тем и другим!
Решение проблемы также аналогичное - установка семафора. Только
в случае с железной дорогой это настоящий семафор, а в случае
мультизадачной операционной системы - это ячейка памяти, отражающая
текущее состояние ресурса - свободен или занят. Если ресурс компьютера
занят какой либо программой, другие программы должны ждать, пока
он не освободится (пока не проедет поезд).
Нет никаких принципиальных препятствий для реализации мультизадачности
в реальном режиме. Однако ограничения, присущие реальному режиму
не позволяют сделать это достаточно эффективно. Например, ограниченное
адресное пространство не позволяет держать в оперативной памяти
одновременно несколько больших программ, а подгрузка программ
с диска выполняется медленно. Отсуствие какой бы то ни было изоляции
адресных пространств программ влечёт за собой ненадёжную работу
всей системы в целом, так как любая программа из-за ошибки или
преднамеренно может разрушить всю систему.
Поэтому все мультизадачные операционные системы используют защищённый
режим работы процессора. Адресация памяти в защищённом режиме
полностью удовлетворяет требованиям изолирования параллельно работающих
программ.
Например, для каждой программы можно создать свою локальную таблицу
дескрипторов LDT. В этом случае программа принципиально будет
иметь доступ только к своей области памяти, выделенной ей операционной
системой. Для организации межзадачного взаимодействия можно вызывать
модули операционной системой через вентили вызова. Кроме того,
операционная система может создать области памяти "общего
пользования", поместив соответствующие дескрипторы в глобальную
таблицу дескрипторов GDT. Таблица GDT одна на все программы и
доступна всем программам.
Кроме того, процессор i80286 и более старшие модели имеют специальные
средства, значительно ускоряющие переключение с одной программы
на другую за счёт автоматического сохранения контекста в специально
выделенной для каждой программы области памяти.
В этой главе мы рассмотрим средства мультизадачности процессора
i80286 и приведём пример небольшого мультизадачного монитора,
обеспечивающего параллельную работу нескольких программ.
До сих пор мы говорили о параллельной работе программ. На самом
деле каждая отдельная программа может состоять из нескольких частей,
работающих параллельно. Например, текстовый процессор может содержать
программные модули, которые параллельно с редактированием текста
выполняют нумерацию страниц, печать текста или автоматическое
сохранение его на диске. Каждую такую часть программы мы будем
называть задачей.
Исходя из этой терминологии в мультизадачной среде одновременно
выполняется много задач, принадлежащих разным программам. Причём
количество задач больше или равно количеству выполняющихся программ.
Как правило, квантование времени процессора выполняется на уровне
задач, а не на уровне программ. По прерыванию таймера процессор
переключается от одной задачи к другой, и таким образом осуществляется
параллельное выполнение программ.
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. 14.
Рис. 14. 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. 15).
Рис. 15. Дескриптор сегмента состояния задачи TSS.
Поле доступа содержит бит B - бит занятости. Если задача активна,
этот бит устанавливается процессором в 1.
Операционная система для каждой задачи создаёт свой TSS. Перед
тем как переключиться на выполнение новой задачи, процессор сохраняет
контекст старой задачи в её сегменте TSS.
Что же конкретно записывается в TSS при переключении задачи?
Записывается содержимое регистров общего назначения AX, BX, CX,
DX, регистров SP, BP, SI, DI, сегментных регистров ES, CS, SS,
DS, содержимое указателя команд IP и регистра флажков FLAGS. Кроме
того, сохраняется содержимое регистра LDTR, определяющего локальное
адресное пространство задачи.
Дополнительно при переключении задачи в область TSS со смещением
44 операционная система может записать любую информацию, которая
относится к данной задаче. Эта область процессором не считывается
и никак не модифицируется.
Поле Link представляет собой поле обратной связи и используется
для организации вложенных вызовов задач. Это поле мы рассмотрим
в следующем разделе.
Поля Stack 0, Stack 1, Stack 2 хранят логические адреса (селектор:смещение)
отдельных для каждого кольца защиты стеков. Эти поля используются
при межсегментных вызовах через вентили вызова.
Для обеспечения защиты данных процессор назначает отдельные стеки
для каждого кольца защиты. Когда задача вызывает подпрограмму
из другого кольца через вентиль вызова, процессор вначале загружает
указатель стека SS:SP адресом нового стека, взятого из соответствующего
поля TSS.
Затем в новый стек копируется содержимое регистров SS:SP задачи
(т.е. адрес вершины старого стека задачи). После этого в новый
стек копируются параметры, количество которых задано в вентиле
вызова и адрес возврата.
Таким образом, при вызове привилегированного модуля через вентиль
вызова менее привилегированная программа не может передать в стеке
больше параметров, чем это определено операционной системой для
данного модуля.
Включение адресов стеков в TSS позволяет разделить стеки задач
и обеспечивает их автоматическое переключение при переключении
задач.
Для переключения задач имеются следующие возможности:
- переключение по команде JMP;
- переключение по команде CALL;
- переключение по прерыванию.
В первом и втором случаях для переключения задачи используются
обычные команды JMP и CALL, но в качестве операнда в этих командах
указывается адрес сегмента TSS задачи, на которую необходимо переключиться.
Если произошло переключение с первой задачи на вторую при помощи
команды JMP, то для возврата к выполнению первой задачи необходимо
вновь использовать JMP, указав в качестве операнда адрес TSS первой
задачи.
Команда CALL позволяет организовать вызов вложенных задач. Переключившись
из первой задачи на вторую, программа может вновь вернуться к
первой задаче, если она выполнит команду IRET. В этом случае по
команде IRET произойдет обратное переключение задач. Адрес TSS
для возврата команда IRET возьмёт из поля обратной связи Link
текущего сегмента TSS, куда он был записан командой CALL при первом
переключении задач.
Кроме того, при переключении задачи командой CALL в поле FLAGS
сегмента TSS вызванной задачи устанавливается в 1 бит вложенной
задачи NT. Команда JMP, если она использована для переключения
задачи, сбрасывает бит NT. Формат регистра флагов для процессоров
i80386 и i80486 описан в приложении. Регистр флагов FLAGS процессора
i80286 - это младшее слово 32-разрядного регистра EFLAGS.
Аналогично тому, как можно вызвать подпрограмму через вентиль
вызова, для вызова задачи командой CALL можно использовать вентиль
задачи. Формат вентиля задачи представлен на рис. 16.
Рис. 16. Вентиль задачи.
Вентили задач, вызываемых по команде CALL, могут располагаться
в таблицах GDT или LDT.
Обратите внимание на одно существенное различие между вызовом
подпрограммы и вызовом задачи. После возврата из подпрограммы
при её повторном вызове мы войдём в процедуру в начальной точке
входа. В аналогичном случае при возврате из задачи и её повторном
вызове управление будет передано команде, находящейся сразу за
командой IRET.
Это происходит потому, что при переключении задачи в сегменте
TSS записывается содержимое регистров CS:IP на момент переключения
задачи. Если задача была вызвана при помощи команды CALL и возврат
(обратное переключение) было выполнено по команде IRET, в TSS
записывается адрес CS:IP, указывающий на следующую после IRET
команду. Вы можете поместить там команду безусловного перехода
JMP на начало задачи и таким образом зациклить задачу. После этого
вызов задачи станет похож на вызов подпрограммы.
Существует ещё одна очень интересная возможность для переключения
задач - переключение задач по прерыванию.
Эту возможность можно легко реализовать, если поместить вентиль
задачи в дескрипторную таблицу прерываний IDT. Например, можно
сделать отдельные задачи для обработки исключений или аппаратных
прерываний. В последнем случае обработчикам аппаратных прерываний
не нужно использовать стек прикладных задач, так как они будут
иметь свой собственный стек.
Прежде чем мы приведём конкретный пример простейшей мультизадачной
системы, расскажем немного о применении семафоров как средств
синхронизации задач.
Как правило, любая мультизадачная операционная система содержит
более или менее развитые средства синхронизации и взаимодействия
задач. Семафоры как средство синхронизации задач предназначены
для управления коллективным доступом со стороны задач к какому
либо ресурсу. Под ресурсом мы будем понимать не только физические
ресурсы компьютера (диски, клавиатуру и т.д.), но и логические
ресурсы - ячейки памяти, буфера и т.п.
Программа, владеющая ресурсом или создавшая ресурс может создать
семафор для управления этим ресурсом. Физически семафор реализуется
в оперативной памяти и представляет из себя ячейку памяти (достаточно
одного байта или иногда даже одного бита памяти).
В простейшем случае для семафора определяются операции:
- создание семафора;
- уничтожение семафора;
- сброс семафора;
- сброс семафора;
- ожидание, пока семафор не будет установлен.
Эти операции выполняются операционной системой по запросам прикладных
программ. В примере мультизадачной программы, приведённой ниже
в этой главе, мы должны сами реализовать все семафорные операции.
Что касается двух первых операций, то мы выбрали самое простое
решение. Семафоры создаются статически на этапе трансляции программы
и представляют из себы простые статические переменные. Операция
уничтожения семафора в этом случае не используется, т.к. мы создаём
все нужные нам семафоры при трансляции программы.
Операции сброса и установки семафора заключаются в записи, соответственно,
нуля и единицы в ячейки памяти, распределённые семафорам. Единственная
особенность выполнения этих операций заключается в том, что они
должны быть непрерываемыми, то есть на время выполнения этих операций
необходимо запретить переключение задач. Так как в нашем случае
задачи переключаются по прерываниям таймера, мы на время выполнения
операций сброса и установки семафора запрещаем все прерывания
при помощи команды CLI.
Операция ожидания установки семафора, напротив, должна выполняться
с разрешёнными прерываниями, так как семафор ожидает одна задача,
а его установку выполняет другая задача. Однако в процессе ожидания
необходимо считать содержимое семафора и проверить его состояние,
и вот эта операция должна выполняться с запрещёнными прерываниями.
Для того, чтобы вы могли почувствовать мультизадачность, мы подготовили
пример программы, реализующей параллельную работу нескольких задач
в режиме разделения времени.
Эта программа состоит из нескольких модулей, составленных на языках
ассемблера и Си.
Первые два файла предназначены для определения используемых констант
и структур данных.
Листинг 4. Определение констант и структур для модулей,
составленных на языке ассемблера.
Файл tos.inc
-----------------------------------------------------------
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
Листинг 5. Определение констант и структур для модулей,
составленных на языке Си.
Файл tos.h
-----------------------------------------------------------
#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;
word base_lo;
unsigned char base_hi;
unsigned char type_dpl;
unsigned reserved;
} 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);
Файл tos.c (листинг 6) содержит основную программу, которая инициализирует
процессор для работы в защищённом режиме и запускает все задачи.
С помощью функции с названием Init_And_Protected_Mode_Entry()
мы попадаем в защищённый режим и выводим сообщение на экран о
том, что в главной задаче установлен защищённый режим. Регистр
TR загружается селектором главной задачи при помощи функции load_task_register().
Сразу после этого программа переключается на выполнение задачи
TASK_1. Эта задача просто выводит сообщение о своём запуске на
экран и возвращает управление главной задаче. Цель этой процедуры
- продемонстрировать процесс переключения задач с помощью команды
JMP.
После возврата в главную задачу программа размаскирует прерывания
от клавиатуры и таймера. Как только начинают поступать и обрабатываться
прерывания таймера, оживают остальные задачи, определённые при
инициализации системы.
Начиная с этого момента главная задача разделяет процессорное
время наравне с остальными задачами. Что же она делает?
Главная задача сбрасывает семафор с номером 0, вслед за чем ожидает
его установку. Этот семафор устанавливается задачей, которая занимается
вводом символов с клавиатуры и выводит на экран скан-коды клавиш,
а также состояние переключающих клавиш. Как только окажется нажатой
клавиша ESC, задача ввода символов с клавиатуры устанавливает
семафор 0, что и приводит к завершению работы главной задачи.
Перед тем, как завершить работу, главная задача устанавливает
реальный режим работы процессора, стирает экран и возвращает управление
операционной системе.
Листинг 6. Программа мультизадачного монитора.
Файл tos.c
-----------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#include "tos.h"
// --------------------------------
// Определения вызываемых функций
// --------------------------------
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
// 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
{ (word)&iret0, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 27
{ (word)&iret1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 28
{ (word)&iret1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 29
{ (word)&iret1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 2A
{ (word)&iret1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 2B
{ (word)&iret1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 2C
{ (word)&iret1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 2D
{ (word)&iret1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 2E
{ (word)&iret1, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 2F
// Обработчик для программного прерывания, которое
// используется для ввода с клавиатуры
{ (word)&Int_30h_Entry, CODE_SELECTOR, 0, TYPE_INTERRUPT_GATE, 0 }, // 30
// Вентиль задачи FLIP_TASK
{ 0, FLIP_TASK_SELECTOR, 0, TYPE_TASK_GATE, 0 } // 31
};
// -------------------------------------------
// Сегменты TSS для различных задач
// -------------------------------------------
tss main_tss; // TSS главной задачи
tss task_1_tss; // TSS задачи TASK_1
tss task_2_tss; // TSS задачи TASK_2
tss keyb_task_tss; // TSS задач обслуживания
tss keyb_tss; // клавиатуры
tss flipflop_tss; // TSS задачи FLIP_TASK
// -------------------------------------------
// Стеки для задач
// -------------------------------------------
unsigned char task_1_stack[1024];
unsigned char task_2_stack[1024];
unsigned char keyb_task_stack[1024];
unsigned char keyb_stack[1024];
unsigned char flipflop_stack[1024];
word y=0; // номер текущей строки для вывода на экран
// -------------------------------------------
// Начало программы
// -------------------------------------------
void main(void) {
// Стираем экран
textcolor(BLACK); textbackground(LIGHTGRAY); clrscr();
// Входим в защищённый режим
Init_And_Protected_Mode_Entry();
// Выводим сообщение
vi_hello_msg();
y=3;
vi_print(0, y++,
" Установлен защищённый режим в главной задаче", 0x7f);
// Загружаем регистр TR селектором главной задачи
// т.е. задачи main()
load_task_register(MAIN_TASK_SELECTOR);
// Переключаемся на задачу TASK_1
jump_to_task(TASK_1_SELECTOR);
// После возврата в главную задачу выдаём сообщение
vi_print(0, y++ ," Вернулись в главную задачу", 0x7f);
y++;
// Запускаем планировщик задач
vi_print(0, y++ ," Запущен планировщик задач", 0x70);
enable_interrupt(); // разрешаем прерывание таймера
// Ожидаем установки семафора с номером 0. После того,
// как этот семафор окажется установлен, возвращаемся
// в реальный режим.
// Семафор 0 устанавливается задачей, обрабатывающей ввод с
// клавиатуры, которая работает независимо от
// главной задаче.
vi_print(0, y++ ," Для возврата в реальный режим нажмите ESC", 0x70);
sem_clear(0); // сброс семафора 0
sem_wait(0); // ожидание установки семафора 0
// Возврат в реальный режим, стирание экрана и
// передача управления MS-DOS
real_mode();
textcolor(WHITE); textbackground(BLACK); clrscr();
}
// -----------------------------------
// Функция инициализации сегмента TSS
// -----------------------------------
void init_tss(tss *t, word cs, word ds,
unsigned char *sp, func_ptr ip) {
t->cs = cs; // селектор сегмента кода
t->ds = ds; // поля ds, es, ss устанавливаем
t->es = ds; // на сегмент данных
t->ss = ds;
t->ip = (word)ip; // указатель команд
t->sp = (word)sp; // смещение стека
t->bp = (word)sp;
}
// -------------------------------------------------
// Функция инициализации дескриптора в таблице GDT
// -------------------------------------------------
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
descr->reserved = 0;
}
// -----------------------------------------------
// Инициализация всех таблиц и вход
// в защищённый режим
// -----------------------------------------------
void Init_And_Protected_Mode_Entry(void) {
union REGS r;
// Инициализируем таблицу GDT, элементы с 1 по 5
init_gdt_descriptor(&gdt[1], MK_LIN_ADDR(_CS, 0),
0xffffL, TYPE_CODE_DESCR | SEG_PRESENT_BIT | SEG_READABLE);
init_gdt_descriptor(&gdt[2], MK_LIN_ADDR(_DS, 0),
0xffffL, TYPE_DATA_DESCR | SEG_PRESENT_BIT | SEG_WRITABLE);
init_gdt_descriptor(&gdt[3],
MK_LIN_ADDR(_DS, &task_1_tss),
(unsigned long)TSS_SIZE-1, TYPE_TSS_DESCR | SEG_PRESENT_BIT);
init_gdt_descriptor(&gdt[4],
MK_LIN_ADDR(_DS, &task_2_tss),
(unsigned long)TSS_SIZE-1, TYPE_TSS_DESCR | SEG_PRESENT_BIT);
init_gdt_descriptor(&gdt[5],
MK_LIN_ADDR(_DS, &main_tss),
(unsigned long)TSS_SIZE-1, TYPE_TSS_DESCR | SEG_PRESENT_BIT);
// Инициализируем TSS для задач TASK_1, TASK_2
init_tss(&task_1_tss, CODE_SELECTOR, DATA_SELECTOR, task_1_stack+
sizeof(task_1_stack), task1);
init_tss(&task_2_tss, CODE_SELECTOR, DATA_SELECTOR, task_2_stack+
sizeof(task_2_stack), task2);
// Инициализируем элемент 6 таблицы GDT -
// дескриптор для сегмента видеопамяти
// Определяем видеорежим
r.h.ah=15;
int86(0x10,&r,&r);
// Инициализация для монохромного режима
if(r.h.al==MONO_MODE)
init_gdt_descriptor(&gdt[6], MONO_VID_MEM,
3999, TYPE_DATA_DESCR | SEG_PRESENT_BIT | SEG_WRITABLE);
// Инициализация для цветного режима
else if(r.h.al == BW_80_MODE || r.h.al == COLOR_80_MODE)
init_gdt_descriptor(&gdt[6], COLOR_VID_MEM,
3999, TYPE_DATA_DESCR | SEG_PRESENT_BIT | SEG_WRITABLE);
else {
printf("\nИзвините, этот видеорежим недопустим.");
exit(-1);
}
// Инициализация элементов 7 и 8 таблицы GDT
init_gdt_descriptor(&gdt[7],
MK_LIN_ADDR(_DS, &idt),
(unsigned long)IDT_SIZE-1,
TYPE_DATA_DESCR | SEG_PRESENT_BIT | SEG_WRITABLE);
init_gdt_descriptor(&gdt[8],
MK_LIN_ADDR(_DS, &keyb_task_tss),
(unsigned long)TSS_SIZE-1,
TYPE_TSS_DESCR | SEG_PRESENT_BIT);
// Инициализация TSS для задачи KEYB_TASK
init_tss(&keyb_task_tss, CODE_SELECTOR, DATA_SELECTOR,
keyb_task_stack + sizeof(keyb_task_stack), keyb_task);
// Инициализация элемента 9 таблицы GDT
init_gdt_descriptor(&gdt[9],
MK_LIN_ADDR(_DS, &keyb_tss),
(unsigned long)TSS_SIZE-1,
TYPE_TSS_DESCR | SEG_PRESENT_BIT);
// Инициализация TSS для задачи KEYB обработки ввода с клавиатуры
init_tss(&keyb_tss, CODE_SELECTOR, DATA_SELECTOR,
keyb_stack + sizeof(keyb_stack), Keyb_int);
// Инициализация элемента 10 таблицы GDT
init_gdt_descriptor(&gdt[10],
MK_LIN_ADDR(_DS, &flipflop_tss),
(unsigned long)TSS_SIZE-1,
TYPE_TSS_DESCR | SEG_PRESENT_BIT);
// Инициализация TSS для задачи FLIP_TASK
init_tss(&flipflop_tss, CODE_SELECTOR, DATA_SELECTOR,
flipflop_stack + sizeof(flipflop_stack), flipflop_task);
// Загрузка регистра IDTR
load_idtr(MK_LIN_ADDR(_DS, &idt), IDT_SIZE);
// Вход в защищённый режим
protected_mode(MK_LIN_ADDR(_DS, &gdt), sizeof(gdt),
CODE_SELECTOR, DATA_SELECTOR);
}
Файл tasks.c содержит тексты программ, которые будут работать
в режиме разделения времени (кроме задачи TASK_1, эта задача запускается
только один раз).
Задача TASK_1 (процедура task1) выдаёт сообщение о своём запуске
и передаёт управление главной задаче.
Задача TASK_2 (процедура task2) попеременно выводит на экран строки
"FLIP" и "FLOP", переключая попутно семафор
с номером 1.
Задача FLIP_TASK (процедура flipflop_task) также попеременно выводит
на экран строки "FLIP" и "FLOP", но только
тогда, когда семафор с номером 1 установлен. Таким образом, задача
TASK_2 управляет работой задачи FLIP_TASK.
Задача KEYB_TASK (процедура keyb_task) вводит символы с клавиатуры
и выводит скан-коды нажатых клавиш, а также состояние переключающих
клавиш. Как только оказывается нажатой клавиша ESC, задача устанавливает
семафор с номером 0, что приводит к завершению работы главной
задачи (ожидающей установки этого семафора).
Листинг 7. Задачи, которые будут работать параллельно.
Файл tasks.c
-----------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include "tos.h"
word dispatcher(void);
// Номер текущей строки для вывода на экран
extern unsigned int y;
// Задача TASK_1
void task1(void) {
while(1){
vi_print(0,y++," Запущена задача TASK_1, "
"переходим к главной задаче", 0x70);
jump_to_task(MAIN_TASK_SELECTOR);
// После повторного запуска этой задачи
// снова входим в цикл.
}
}
// Задача TASK_2
word flipflop1 = 0;
long delay_cnt1 = 0l;
void task2(void) {
while(1){
// Периодически выводим на экран строки
// FLIP/FLOP, каждый раз переключая
// семафор номер 1. Этот семафор однозначно
// соответствует выведенной на экран строке.
asm sti
if(delay_cnt1 > 150000l ) {
asm cli
if(flipflop1) {
vi_print(73,3," FLIP ", 0x4f);
sem_clear(1);
}
else {
vi_print(73,3," FLOP ", 0x1f);
sem_set(1);
}
flipflop1 ^= 1;
delay_cnt1 = 0l;
asm sti
}
delay_cnt1++;
}
}
word flipflop = 0;
long delay_cnt = 0l;
void flipflop_task(void) {
// Эта задача также периодически выводит на экран
// строки FLIP/FLOP, но выводит строкой выше и
// с меньшим периодом. Кроме того, эта задача
// работает только тогда, когда установлен
// семафор номер 1.
while(1){
asm sti
if(delay_cnt > 20000l ) {
sem_wait(1); // ожидаем установки семафора
asm cli
if(flipflop) vi_print(73,2," FLIP ", 0x20);
else vi_print(73,2," FLOP ", 0x20);
flipflop ^= 1;
delay_cnt = 0l;
asm sti
}
delay_cnt++;
}
}
word keyb_code;
extern word keyb_status;
void keyb_task(void) {
// Эта задача вводит символы с клавиатуры
// и отображает скан-коды нажатых клавиш
// и 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.
vi_print(60, 5, " Key code: .... ", 0x20);
vi_print(60, 6, " Key status: .... ", 0x20);
while(1){
keyb_code = kb_getch();
vi_put_word(73, 5, keyb_code, 0x4f);
vi_put_word(73, 6, keyb_status, 0x4f);
if((keyb_code & 0x00ff) == 1) sem_set(0);
}
}
Файл semaphor.c содержит исходные тексты процедур сброса семафора,
установки семафора и ожидания семафора.
В массиве semaphore[5] определено пять семафоров. Разумеется,
что когда вы будете экспериментировать с программой, вы можете
изменить количество доступных семафоров.
Листинг 8. Процедуры для работы с семафорами.
Файл semaphor.c
-----------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include "tos.h"
// Массив из пяти семафоров
word semaphore[5];
// Процедура сброса семафора.
// Параметр sem - номер сбрасываемого семафора
void sem_clear(int sem) {
asm cli
semaphore[sem] = 0;
asm sti
}
// Процедура установки семафора
// Параметр sem - номер устанавливаемого семафора
void sem_set(int sem) {
asm cli
semaphore[sem] = 1;
asm sti
}
// Ожидание установки семафора
// Параметр sem - номер ожидаемого семафора
void sem_wait(int sem) {
while(1) {
asm cli
if(semaphore[sem]) break; // проверяем семафор
asm sti // ожидаем установки семафора
asm nop
asm nop
}
asm sti
}
Файл timer.c содержит обработчик аппаратного прерывания таймера,
который периодически выдаёт звуковой сигнал и инициирует работу
диспетчера задач. Диспетчер задач циклически перебирает селекторы
TSS задач, участвующих в процессе разделения времени, возвращая
селектор той задачи, которая должна стать активной. В самом конце
обработки аппаратного прерывания таймера происходит переключение
именно на эту задачу.
Листинг 9. Процедуры для работы с таймером и
диспетчер задач.
Файл timer.c
-----------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include "tos.h"
// -------------------------------------------
// Модуль обслуживания таймера
// -------------------------------------------
#define EOI 0x20
#define MASTER8259A 0x20
extern void beep(void);
extern void flipflop_task(void);
void Timer_int(void);
word dispatcher(void);
word timer_cnt;
// ------------------------------------------
// Обработчик аппаратного прерывания таймера
// ------------------------------------------
void Timer_int(void) {
asm pop bp
// Периодически выдаём звуковой сигнал
timer_cnt += 1;
if((timer_cnt & 0xf) == 0xf) {
beep();
}
// Выдаём в контроллер команду конца
// прерывания
asm mov al,EOI
asm out MASTER8259A,al
// Переключаемся на следующую задачу,
// селектор TSS которой получаем от
// диспетчера задач dispatcher()
jump_to_task(dispatcher());
asm iret
}
// --------------------------------------
// Диспетчер задач
// --------------------------------------
// Массив селекторов, указывающих на TSS
// задач, участвующих в параллельной работе,
// т.е. диспетчеризуемых задач
word task_list[] = {
MAIN_TASK_SELECTOR,
FLIP_TASK_SELECTOR,
KEYBIN_TASK_SELECTOR,
TASK_2_SELECTOR
};
word current_task = 0; // текущая задача
word max_task = 3; // количество задач - 1
// Используем простейший алгоритм диспетчеризации -
// выполняем последовательное переключение на все
// задачи, селекторы TSS которых находятся
// в массиве task_list[].
word dispatcher(void) {
if(current_task < max_task) current_task++;
else current_task = 0;
return(task_list[current_task]);
}
Для сокращения объёма и без того сложной программы мы не стали
делать функционально полную обработку исключений, ограничившись
простым аварийным завершением работы программы с выдачей номера
исключения.
Исходные тексты обработчиков исключений находятся в файле except.c.
Листинг 10. Обработка исключений.
Файл except.c
-----------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include "tos.h"
void prg_abort(int err);
// Номер текущей строки для вывода на экран
extern unsigned int y;
// Обработчики исключений
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); }
// ------------------------------
// Аварийный выход из программы
// ------------------------------
void prg_abort(int err) {
vi_print(1,y++,"!!! ---> Произошло исключение", 0xc);
real_mode(); // Возвращаемся в реальный режим
// В реальном режиме выводим сообщение об исключении
gotoxy(1, ++y);
cprintf(" Исключение %X, нажмите любую клавишу", err);
getch();
textcolor(WHITE);
textbackground(BLACK);
clrscr();
exit(0);
}
В файле intproc.c расположены заглушки для тех аппаратных прерываний,
обработка которых сводится к простой посылке кода конца прерывания
в соответствующий контроллер прерывания.
Листинг 11. Заглушки для аппаратных прерываний.
Файл intproc.c
-----------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include "tos.h"
// Заглушки для необрабатываемых
// аппаратных прерываний.
void iret0(void) { // первый контроллер прерываний
asm {
push ax
mov al,EOI
out MASTER8259A,al
pop ax
pop bp
iret
}
}
void iret1(void) { // второй контроллер прерываний
asm {
push ax
mov al,EOI
out MASTER8259A,al
out SLAVE8259A,al
pop ax
pop bp
iret
}
}
Файл keyb.c содержит простой интерфейс для вызова программного
прерывания int 30h, обеспечивающего ввод с клавиатуры.
Листинг 12. Ввод символа с клавиатуры.
Файл keyb.c
-----------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include "tos.h"
extern word key_code;
// Функция, ожидающая нажатия любой
// клавиши и возвращающая её скан-код
unsigned int kb_getch(void) {
asm int 30h
return(key_code);
}
Обработчик аппаратного прерывания клавиатуры мы взяли практически
без изменений из программы, представленной в предыдущей главе.
Исходные тексты находятся в файле keyboard.asm.
Листинг 13. Процедуры для работы с клавиатурой.
Файл keyboard.asm
-----------------------------------------------------------
IDEAL
MODEL SMALL
RADIX 16
P286
include "tos.inc"
; ------------------------------------------
; Модуль обслуживания клавиатуры
; ------------------------------------------
PUBLIC _Keyb_int, _Int_30h_Entry, _key_code, _keyb_status
EXTRN _beep:PROC
DATASEG
_key_flag db 0
_key_code dw 0
ext_scan db 0
_keyb_status dw 0
CODESEG
PROC _Keyb_int NEAR
cli
call _beep
push ax
mov al, [ext_scan]
cmp al, 0
jz normal_scan1
cmp al, 0e1h
jz pause_key
in al, 60h
cmp al, 2ah
jz intkeyb_exit_1
cmp al, 0aah
jz intkeyb_exit_1
mov ah, [ext_scan]
call Keyb_PutQ
mov al, 0
mov [ext_scan], al
jmp intkeyb_exit
pause_key:
in al, 60h
cmp al, 0c5h
jz pause_key1
cmp al, 45h
jz pause_key1
jmp intkeyb_exit
pause_key1:
mov ah, [ext_scan]
call Keyb_PutQ
mov al, 0
mov [ext_scan], al
jmp intkeyb_exit
normal_scan1:
in al, 60h
cmp al, 0feh
jz intkeyb_exit
cmp al, 0e1h
jz ext_key
cmp al, 0e0h
jnz normal_scan
ext_key:
mov [ext_scan], al
jmp intkeyb_exit
intkeyb_exit_1:
mov al, 0
mov [ext_scan], al
jmp intkeyb_exit
normal_scan:
mov ah, 0
call Keyb_PutQ
intkeyb_exit:
in al, 61h
mov ah, al
or al, 80h
out 61h, al
xchg ah, al
out 61h, al
mov al,EOI
out MASTER8259A,al
pop ax
sti
iret
jmp _Keyb_int
ENDP _Keyb_int
PROC Keyb_PutQ NEAR
push ax
cmp ax, 002ah ; L_SHIFT down
jnz @@kb1
mov ax, [_keyb_status]
or ax, L_SHIFT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb1:
cmp ax, 00aah ; L_SHIFT up
jnz @@kb2
mov ax, [_keyb_status]
and ax, NL_SHIFT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb2:
cmp ax, 0036h ; R_SHIFT down
jnz @@kb3
mov ax, [_keyb_status]
or ax, R_SHIFT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb3:
cmp ax, 00b6h ; R_SHIFT up
jnz @@kb4
mov ax, [_keyb_status]
and ax, NR_SHIFT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb4:
cmp ax, 001dh ; L_CTRL down
jnz @@kb5
mov ax, [_keyb_status]
or ax, L_CTRL
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb5:
cmp ax, 009dh ; L_CTRL up
jnz @@kb6
mov ax, [_keyb_status]
and ax, NL_CTRL
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb6:
cmp ax, 0e01dh ; R_CTRL down
jnz @@kb7
mov ax, [_keyb_status]
or ax, R_CTRL
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb7:
cmp ax, 0e09dh ; R_CTRL up
jnz @@kb8
mov ax, [_keyb_status]
and ax, NR_CTRL
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb8:
cmp ax, 0038h ; L_ALT down
jnz @@kb9
mov ax, [_keyb_status]
or ax, L_ALT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb9:
cmp ax, 00b8h ; L_ALT up
jnz @@kb10
mov ax, [_keyb_status]
and ax, NL_ALT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb10:
cmp ax, 0e038h ; R_ALT down
jnz @@kb11
mov ax, [_keyb_status]
or ax, R_ALT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb11:
cmp ax, 0e0b8h ; R_ALT up
jnz @@kb12
mov ax, [_keyb_status]
and ax, NR_ALT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb12:
cmp ax, 003ah ; CAPS_LOCK up
jnz @@kb13
mov ax, [_keyb_status]
xor ax, CAPS_LOCK
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb13:
cmp ax, 00bah ; CAPS_LOCK down
jnz @@kb14
jmp keyb_putq_exit
@@kb14:
cmp ax, 0046h ; SCR_LOCK up
jnz @@kb15
mov ax, [_keyb_status]
xor ax, SCR_LOCK
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb15:
cmp ax, 00c6h ; SCR_LOCK down
jnz @@kb16
jmp keyb_putq_exit
@@kb16:
cmp ax, 0045h ; NUM_LOCK up
jnz @@kb17
mov ax, [_keyb_status]
xor ax, NUM_LOCK
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb17:
cmp ax, 00c5h ; NUM_LOCK down
jnz @@kb18
jmp keyb_putq_exit
@@kb18:
cmp ax, 0e052h ; INSERT up
jnz @@kb19
mov ax, [_keyb_status]
xor ax, INSERT
mov [_keyb_status], ax
jmp keyb_putq_exit
@@kb19:
cmp ax, 0e0d2h ; INSERT down
jnz @@kb20
jmp keyb_putq_exit
@@kb20:
test ax, 0080h
jnz keyb_putq_exit
mov [_key_code], ax
mov al, 0ffh
mov [_key_flag], al
keyb_putq_exit:
pop ax
ret
ENDP Keyb_PutQ
; Обработчик программного прерывания
; для ввода с клавиатуры. По своим функциям
; напоминает прерывание INT 16 реального
; режима.
PROC _Int_30h_Entry NEAR
push ax dx
; Ожидаем прерывание от клавиатуры
keyb_int_wait:
sti
nop
nop
cli
; Проверяем флаг, который устанавливается
; обработчиком аппаратного прерывания клавиатуры
mov al, [_key_flag]
cmp al, 0
jz keyb_int_wait
; Сбрасываем флаг после прихода прерывания
mov al, 0
mov [_key_flag], al
sti
pop dx ax
iret
ENDP _Int_30h_Entry
END
Файл screen.c содержит процедуры, необходимые для вывода информации
на экран дисплея. Работа этих процедур основана на непосредственной
записи данных в видеопамять.
Листинг 14. Процедуры для работы с видеоадаптером.
Файл screen.c
-----------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include "tos.h"
void vi_putch(unsigned int x, unsigned int y ,char c, char attr);
char hex_tabl[] = "0123456789ABCDEF";
// Вывод байта на экран, координаты (x,y),
// выводится шестнадцатеричное представление
// байта chr с экранными атрибутами attr.
void vi_put_byte(unsigned int x,
unsigned int y, unsigned char chr, char attr) {
unsigned char temp;
temp = hex_tabl[(chr & 0xf0) >> 4];
vi_putch(x, y, temp, attr);
temp = hex_tabl[chr & 0xf];
vi_putch(x+1, y, temp, attr);
}
// Вывод слова на экран, координаты (x,y),
// выводится шестнадцатеричное представление
// слова chr с экранными атрибутами attr.
void vi_put_word(unsigned int x,
unsigned int y, word chr, char attr) {
vi_put_byte(x, y, (chr & 0xff00) >> 8, attr);
vi_put_byte(x+2, y, chr & 0xff, attr);
}
// Вывод символа c на экран, координаты - (x,y),
// атрибут выводимого символа - attr
void vi_putch(unsigned int x,
unsigned int y ,char c, char attr) {
register unsigned int offset;
char far *vid_ptr;
offset=(y*160) + (x*2);
vid_ptr=MK_FP(VID_MEM_SELECTOR, offset);
*vid_ptr++=c; *vid_ptr=attr;
}
// Вывод строки s на экран, координаты - (x,y),
// атрибут выводимой строки - attr
void vi_print(unsigned int x,
unsigned int y, char *s, char attr) {
while(*s) vi_putch(x++, y, *s++, attr);
}
// Вывод стоки сообщения о запуске программы
void vi_hello_msg(void) {
vi_print(0, 0,
" Protected mode monitor *TINY/OS*, "
"v.1.2 for CPU 80286 ¦ © Frolov A.V., 1992 ", 0x30);
}
Последний файл - tossyst.asm - содержит уже знакомые вам процедуры
для входа в защищённый режим и возврата обратно в реальный режим.
Обратите внимание на процедуры _load_task_register и _jump_to_task,
выполняющие загрузку регистра задачи TR и переключение на другую
задачу соответственно.
Листинг 15. Процедуры для инициализации, перехода в
защищённый режим и возврата в реальный режим,
для загрузки регистра TR и переключения задач.
Файл tossyst.asm
-----------------------------------------------------------
IDEAL
MODEL SMALL
RADIX 16
P286
DATASEG
include "tos.inc"
PUBLIC _beep
; Область памяти для инициализации IDTR
idtr idtr_struc <,,,0>
; Область памяти для инициализации GDTR
gdt_ptr dw (8*15)-1 ; размер GDT, 15 элементов
gdt_ptr2 dw ?
gdt_ptr4 dw ?
; Область памяти для записи селектора задачи,
; на которую будет происходить переключение
new_task dw 00h
new_select dw 00h
; Область памяти для хранения регистров,
; используется для возврата в реальный режим
real_ss dw ?
real_sp dw ?
real_es dw ?
protect_sel dw ?
init_tss dw ?
CODESEG
PUBLIC _real_mode,_protected_mode,_jump_to_task
PUBLIC _load_task_register, _load_idtr, _enable_interrupt
; -------------------------------------------------------------------
; Процедура для переключения в защищённый режим.
; Прототип для вызова:
; void protected_mode(unsigned long gdt_ptr, unsigned int gdt_size,
; unsigned int cseg, unsigned int dseg)
; -------------------------------------------------------------------
PROC _protected_mode NEAR
push bp
mov bp,sp
; Параметр gdt_ptr
mov ax,[bp+4] ; мл. слово адреса GDT
mov dx,[bp+6] ; ст. слово адреса GDT
mov [gdt_ptr4], dx ; запоминаем адрес GDT
mov [gdt_ptr2], ax
; Параметр gdt_size
mov ax,[bp+8] ; получаем размер GDT
mov [gdt_ptr], ax ; и запоминаем его
; Параметры cseg и dseg
mov ax,[bp+10d] ; получаем селектор сегмента кода
mov dx,[bp+12d] ; получаем селектор сегмента данных
mov [cs:p_mode_select], ax ; запоминаем для команды
mov [protect_sel], dx ; перехода far jmp
; Подготовка к возврату 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
; Запрещаем и маскируем все прерывания
cli
in al, INT_MASK_PORT
and al, 0ffh
out INT_MASK_PORT, al
; Записываем код возврата в CMOS-память
mov al,8f
out CMOS_PORT,al
jmp delay1
delay1:
mov al,5
out CMOS_PORT+1,al
call enable_a20 ; открываем линию A20
mov [real_ss],ss ; запоминаем регистры SS и ES
mov [real_es],es
; Перепрограммируем контроллер прерываний
; для работы в защищённом режиме
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]
mov ax, 0001h ; переключаем процессор
lmsw ax ; в защищённый режим
; jmp far flush
db 0eah
dw OFFSET flush
p_mode_select dw ?
LABEL flush FAR
mov dx, [protect_sel]
mov ss, dx
mov ds, dx
mov es, dx
; Обнуляем содержимое регистра LDTR
mov ax, 0
lldt ax
pop bp
ret
ENDP _protected_mode
; ----------------------------------------------------
; Возврат в реальный режим.
; Прототип для вызова
; void real_mode();
; ----------------------------------------------------
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]
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
; -------------------------------------------------------
; Загрузка регистра TR.
; Прототип для вызова:
; void load_task_register(unsigned int tss_selector);
; -------------------------------------------------------
PROC _load_task_register NEAR
push bp
mov bp,sp
ltr [bp+4] ; селектор для текущей задачи
pop bp
ret
ENDP _load_task_register
; -------------------------------------------------------
; Переключение на задачу.
; Прототип для вызова:
; void jump_to_task(unsigned int tss_selector);
; -------------------------------------------------------
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
; ------------------------------
; Открываем линию A20
; ------------------------------
PROC enable_a20 NEAR
push ax
mov al, A20_PORT
out STATUS_PORT, al
mov al, A20_ON
out KBD_PORT_A, al
pop ax
ret
ENDP enable_a20
; ------------------------------
; Закрываем 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
; -----------------------------------------------------------
; Готовим структуру для загрузки регистра IDTR
; Прототип для вызова функции:
; void load_idtr(unsigned long idt_ptr, word idt_size);
; -----------------------------------------------------------
PROC _load_idtr NEAR
push bp
mov bp,sp
mov ax,[bp+4] ; мл. слово адреса IDT
mov dx,[bp+6] ; ст. слово адреса IDT
mov bx, OFFSET idtr
; Запоминаем адрес IDTR в структуре
mov [(idtr_struc bx).idt_low], ax
mov [(idtr_struc bx).idt_hi], dl
; Получаем предел IDT и запоминаем его в структуре
mov ax, [bp+8]
mov [(idtr_struc bx).idt_len], ax
pop bp
ret
ENDP _load_idtr
; ----------------------------------
; Установка контроллера прерываний
; ----------------------------------
PROC set_int_ctrlr NEAR
mov al, 11
out dx, al
jmp SHORT $+2
mov al, ah
inc dx
out dx, al
jmp SHORT $+2
mov al, 4
out dx, al
jmp SHORT $+2
mov al, 1
out dx, al
jmp SHORT $+2
mov al, 0ffh
out dx, al
dec dx
ret
ENDP set_int_ctrlr
; --------------------------
; Выдача звукового сигнала
; --------------------------
PROC _beep NEAR
push ax bx cx
in al,KBD_PORT_B
push ax
mov cx,80
beep0:
push cx
and al,11111100b
out KBD_PORT_B,al
mov cx,60
idle1:
loop idle1
or al,00000010b
out KBD_PORT_B,al
mov cx,60
idle2:
loop idle2
pop cx
loop beep0
pop ax
out KBD_PORT_B,al
pop cx bx ax
ret
ENDP _beep
; -------------------------------
; Задержка выполнения программы
; -------------------------------
PROC _pause NEAR
push cx
mov cx,10
ploop0:
push cx
xor cx,cx
ploop1:
loop ploop1
pop cx
loop ploop0
pop cx
ret
ENDP _pause
; -----------------------
; Размаскирование прерываний
; -----------------------
PROC _enable_interrupt NEAR
in al, INT_MASK_PORT
and al, 0fch
out INT_MASK_PORT, al
sti
ret
ENDP _enable_interrupt
end
|
LINUX