DOS-extender для компилятора BorlandC++ 3.1, защищенный режим процессора 80286, организация многозадачной работы процессора
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.
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).