Раздел 8. Системное программирование

37. Взаимодействие операционной системы и BIOS с периферийными устройствами: уровни взаимодействия с периферийными устройствами, работа на уровне портов ввода-вывода, работа на уровне BIOS, работа на уровне ОС; функционирование резидентных программ.

Файл IO.SYS содержит расширение базовой системы ввода/вывода и является интерфейсом между операционной системой и BIOS. Расширение используется операционной системой для взаимодействия с аппаратурой компьютера и BIOS. Система связи с драйверами устройства скрыта от прикладных программ - программы не могут обращаться непосредственно к драйверам устройств ввода/вывода. Программа вызывает DOS, а DOS обращается при необходимости к драйверам. Возможно, что запрет на непосредственный вызов драйверов введен для обеспечения совместимости с будущими версиями операционной системы, в которых механизм вызова драйверов может измениться. Однако, используя сведения, приведенные в этой книге, вы сможете обойти этот запрет и обратиться непосредственно к драйверу. При этом вам придется использовать некоторые недокументированные прерывания DOS, что само по себе нежелательно из-за возможной потери совместимости с другими версиями операционной системы. Для управления состоянием устройства ввода/вывода или состоянием драйвера используется специальная функция 44h прерывания DOS 21h. Эта функция предназначена для обмена управляющей информацией между прикладной программой и драйвером.

В разных типах компьютеров и для разных типов операционных систем существуют различные способы устранения зависимости программного обеспечения от аппаратуры. По-видимому, одним из наиболее неудачных следует считать способ, примененный в операционной системе ОС ЕС для ЭВМ ряда ЕС. Для ЭВМ ряда ЕС любое периферийное устройство имеет одинаковый и достаточно сложный аппаратный интерфейс с каналами ЭВМ (канал - это устройство, обеспечивающее ввод/вывод информации в ЭВМ ряда ЕС). Для каждого типа устройства составляются канальные программы (программы, которые будут выполняться каналом). Прикладное программное обеспечение может пользоваться либо вводом/выводом на этом, крайне низком, канальном уровне, либо осуществлять ввод/вывод на уровне так называемых методов доступа. Библиотеки программ методов доступа содержат программы, работающие на канальном уровне. Для любого, даже очень простого нового устройства в этой системе необходим сложный аппаратный интерфейс с каналом. Составление программ своего метода доступа - крайне сложная задача, доступная лишь профессионалам высокого класса. О внесении изменений в существующие программы методов доступа говорить вообще вряд ли стоит, так как они очень сложны, а исходные тексты этих программ, как правило, отсутствуют. В операционных системах Unix для каждого устройства составляется своя программа обслуживания - драйвер. Эта программа выполняет все операции со своим устройством. Сама операционная система имеет дело только с драйвером, а прикладное программное обеспечение для выполнения ввода/вывода вызывает соответствующие модули операционной системы. Такая программная "буферизация" устраняет, с одной стороны, зависимость операционной системы от аппаратуры, с другой - зависимость прикладной программы от операционной системы и от аппаратуры. Операционная система MS-DOS, работающая на компьютерах фирмы IBM или совместимых с ними, тоже использует механизм драйверов. Однако драйверы MS-DOS не всегда обращаются напрямую к аппаратуре. Обычно они вызывают функции BIOS, и уже BIOS выполняет все действия по вводу/выводу. Конечно, BIOS содержит программы обслуживания только стандартных устройств ввода/вывода, нестандартные устройства обслуживаются драйверами напрямую. производители совместимых компьютеров учитывают в программах BIOS все аппаратные особенности, и DOS "не видит" отличий. А прикладная программа - тем более. Таким образом, независимость аппаратного и программного обеспечения в DOS обеспечивается, с одной стороны, BIOS для стандартных устройств, с другой стороны - драйверами. При загрузке драйвера в память заголовок драйвера тоже помещается в оперативную память, и в нем операционная система производит некоторые изменения. в начале загрузочного модуля драйвера имеется управляющий блок. Только этот управляющий блок в отличие от заголовка EXE-файла является принадлежностью самой программы и загружается вместе с ней в память. Заголовок EXE-программы используется при загрузке EXE-программы, но после загрузки операционная система убирает его из памяти. Как уже было сказано, все драйверы связаны в цепочку. Самый первый драйвер находится сразу за векторной таблицей связи. Поле next заголовка драйвера указывает на следующий драйвер (на его заголовок). Это поле имеет формат DWORD-указателя и состоит из компоненты адреса сегмента и смещения. Признаком того, что данный драйвер последний в цепочке, служит значение 0FFFFh в компоненте смещения поля next. Все драйверы можно разделить на две группы - драйверы символьных устройств и драйверы блочных устройств. Первые обслуживают устройства посимвольного ввода/вывода, такие как принтеры, клавиатура, контроллеры последовательной передачи данных RS232C и т.д., вторые ориентированы на ввод/вывод блоками - это диски. Для обращения к драйверу DOS формирует в своей области данных запрос, состоящий из заголовка стандартного формата и переменной части запроса, длина и формат которой зависят от типа запроса. Когда операционная система загружает драйвер, она создает заголовок запроса и помещает в него команду инициализации. Затем вызывается программа стратегии драйвера, которой передается адрес подготовленного заголовка запроса. После этого вызывается программа прерывания драйвера. Эта программа просматривает заголовок запроса, определяет, что пришла команда инициализации, и начинает ее обрабатывать.

Обычно после завершения очередной выполняющейся программы DOS освобождает место в памяти, которое занимала программа, чтобы загрузить на это место новую. Однако есть способ оставить программу в памяти и после ее завершения. Следующая запускаемая программа при этом разместится в памяти после оставленной. Остающиеся в памяти после завершения своей работы программы называются резидентными или TSR (Terminate and Stay Resident). TSR-программы имеют некоторые особенности, отличающие их от "нормальных" программ. Им не разрешается использовать DOS-прерывания, когда вздумается. Это связано с тем, что DOS проектировалась как однозадачная операционная система, поэтому модули DOS не обладают свойством реентерабельности (повторной входимости). Существует несколько приложений, для которых подходят TSR-программы. Чаще всего TSR-программы используются для русификации импортных персональных компьютеров. Написано множество программ для загрузки русских шрифтов в память видеоадаптеров, для печати русских букв на принтере в графическом режиме, для русификации клавиатуры и т.п. Для всех этих программ характерно то, что они запускаются один раз при загрузке компьютера - их имена обычно включают в AUTOEXEC.BAT. Эти программы могут переключать на себя обработку прерываний, связанных с выводом на печать или с обращением к клавиатуре и/или выполнять разовые инициализирующие действия, такие как загрузка русских шрифтов в память видеоадаптера.