Операционная система MS-DOS

1.3. Общая схема работы DOS

Для того чтобы правильно работать с системным программным и аппаратным обеспечением, нужно четко представлять себе механизм взаимодействия прикладной программы с компьютером. На рис. 1.1 показаны функциональные связи программы с программно-аппаратным обеспечением IBM PC.

Как правило, ядро DOS разделяют на несколько подсистем, каждая из которых отвечает за выполнение той или иной задачи. Как показано на рисунке, обычно выделяются следующие подсистемы:

• файловая система;
• система управления памятью;
• система управления программами;
• система связи с драйверами устройств;
• система обработки ошибок;
• службу времени;
• систему ввода/вывода консоли оператора.

Эти подсистемы общаются с аппаратурой через BIOS, драйверы или напрямую. Прикладное программное обеспечение может вызывать подсистемы DOS, работать с BIOS или непосредственно с аппаратурой. Обратите, однако, внимание на то, что прикладные программы могут обращаться к драйверам только через соответствующую подсистему DOS.

Очевидно также, что чем выше уровень интерфейса прикладной программы и аппаратуры, тем меньше программа будет зависеть от особенностей аппаратуры.

Рассмотрим подсистемы DOS отдельно.

Файловая система.

Файловая система является одной из важнейших подсистем DOS. Она используется как в процессе загрузки операционной системы, так и в процессе ее работы. Сама операционная система записана на системном диске в виде файлов (IO.SYS, MSDOS.SYS, COMMAND.COM, драйверы, внешние команды и т.д.). Все прикладные программы и вообще все программы и данные для них хранятся на дисках в виде файлов, поэтому можно сказать, что файловая система - ключевая подсистема DOS.

Для обращения к файловой системе прикладная программа должна использовать специально предназначенные для этого функции прерывания DOS. Эти функции выполняют все файловые операции - создание, удаление файлов и каталогов, буферизованная и не буферизованная запись или чтение, получение справочной информации о состоянии файловой системы и другие. Файловые операции будут кратко описаны в обзоре прерываний DOS, кроме того, файловой системе полностью посвящена третья книга первого тома.

Файловая система работает с дисками через драйверы. Драйверы, в свою очередь, пользуются сервисом BIOS.

На уровне BIOS выполняются элементарные операции с диском, такие как чтение/запись секторов, форматирование и т.п. Этот низкий уровень доступен и прикладной программе, но обычно она пользуется функциями прерывания DOS, выполняющими все необходимые действия по обслуживанию каталогов и таблицы размещения файлов (File Allocation Table - FAT). Программы защиты от несанкционированного доступа или копирования вынуждены обращаться к средствам более низкого уровня, вызывая прерывания BIOS, или даже работать с контроллером дисковода через порты ввода/вывода.

Используя подсистему DOS, отвечающую за связь с драйверами, прикладные программы могут также выполнять элементарные операции с диском, такие как форматирование.

Система управления памятью.

Эта подсистема DOS используется для распределения памяти запускаемым программам.

DOS управляет памятью с помощью блоков MCB (Memory Control Block). Память разбивается на блоки; каждому блоку предшествует MCB, в котором записаны характеристики блока памяти. Для каждой вновь запускаемой программы DOS создает определенное количество блоков MCB. При освобождении памяти или при выполнении запросов на получение дополнительной памяти DOS также использует блоки MCB, проверяя при этом правильность их содержимого.

Все блоки MCB располагаются друг за другом. Адрес первого блока хранится в векторной таблице связи, CVT, о которой мы будем говорить в главе 2. Там же будет описан формат блока управления памятью.

Прикладная программа может заказать для себя дополнительные блоки памяти. Для этого она обращается к системе управления памятью, используя функции прерывания 21h DOS.

Система управления программами.

При запуске программы DOS выполняет несколько операций. Сначала она обращается к системе управления памятью, чтобы подготовить блоки памяти для запускаемой программы. С помощью файловой системы файл, содержащий программу, загружается в память, после чего программа (это относится только к файлам типа .exe) настраивается на конкретный физический адрес. Только после этого программе передается управление.

Как известно, в MS-DOS существуют два формата выполняемых программ - .com и .exe. Способы запуска этих программ сильно различаются. Система управления программами автоматически распознает их и загружает в память по-разному. Мы еще вернемся к описанию различий между этими типами программ.

Другая задача, решаемая ситемой управления программами - запуск программ из программ и загрузка "программных перекрытий" - оверлеев. Если не все модули большого программного комплекса нужны одновременно, вы можете разбить комплекс на несколько частей. Это могут быть либо несколько отдельных программ, либо несколько оверлейных модулей. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки; оба они пригодны для экономии памяти.

И наконец, последняя функция системы управления программами - работа с резидентными программами. Если вам надо, чтобы после завершения своей работы программа осталась резидентной в памяти, вы, как и в случае завершения обычной программы, обращаетесь к системе управления программами через соответствующую функцию прерывания DOS 21h.

Система связи с драйверами устройств.

Эта система 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.

Система обработки ошибок.

Система обработки ошибок DOS проста и удобна. Для кодирования ошибок как правило используется флаг переноса (CARRY, CF). Если после обращения к прерыванию DOS флаг переноса установлен в 1, произошла ошибка. Для того чтобы проанализировать ошибку и предпринять какие-то действия, можно вызвать соответствующую функцию DOS, которая вернет уточняющую информацию об ошибке и предоставит соответствующие рекомендации (разумеется, лишь в виде кодов, находящихся в регистрах процессора).

Если произошла критическая ошибка ввода/вывода (например, прочитать дискету невозможно), вызывается стандартная процедура DOS, выводящая на экран запрос о дальнейших действиях. Пользовательская программа может подключить вместо системной свою программу обработки критических ошибок. Подробнее об обработке ошибок будет сказано в разделе 1.6.

Служба времени.

Компьютер обычно оборудуется системными часами. Это могут быть КМОП-часы с питанием от аккумулятора, содержимое которых не сбрасывается при выключении питания компьютера, или таймер, регулярно вырабатывающий прерывания. В любом случае операционная система ведет подсчет времени и хранит текущие показания часов и дату.

Программа может опросить часы, обратившись к DOS с запросом через одну из функций прерывания 21h, или установить новое состояние часов.

Операционная система содержит драйвер устройства CLOCK$. Прикладная программа может обратиться к этому устройству для чтения показания часов или для установки часов. В книге 2 первого тома приведен пример программы для работы с устройством CLOCK$.

Программа может также использовать прерывания таймера для регулярного выполнения каких-либо функций.

Ввод/вывод на консоль оператора.

Консоль оператора состоит из двух устройств - клавиатуры и дисплея. Эти два устройства обслуживаются одним драйвером - драйвером консоли CON. Т.е. можно считать, что в компьютере имеется устройство - консоль - с именем CON.

Операционная система обслуживает консоль с помощью функций прерывания 21h, обеспечивающих ввод и вывод символов на устройство CON. Для работы с физической клавиатурой и дисплейным адаптером этот драйвер использует прерывания BIOS.

Другие подсистемы DOS.

DOS имеет набор драйверов для работы с печатающими устройствами и последовательными портами, которые обеспечивают прием/передачу символов и управление режимами работы устройств.

Кроме того, для печати текста в фоновом режиме в состав дистрибуции DOS входит программа PRINT.COM. Эта практически единственная "мультизадачная" утилита операционной системы является примером стандартной резидентной программы. Она позволяет выполнять параллельно с печатью текста другую работу (например, редактирование другого текста).

Специально следует отметить драйверы электронного диска и кэш-памяти. Драйвер электронного диска называется RAMDRIVE.SYS. Этот драйвер организует в расширенной или в дополнительной памяти компьютера быстрый псевдо-диск. Можно организовать электронный диск и в основной памяти, но основной памяти всегда мало!

Операционная система MS-DOS версий 4.01 и 5.0 имеет в своем составе систему управления дополнительной и расширенной памятью, которая реализуется драйвером HIMEM.SYS. Этот драйвер позволяет программам, составленным специальным образом, использовать расширенную или дополнительную память для хранения данных (но не для выполнения программ).

Если подключен драйвер HIMEM.SYS, то с помощью драйвера SMARTDRV.SYS можно создать кэш-память для жесткого диска. Особенно эффективно применение кэш-памяти для работы с базами данных, когда вам периодически требуется одна и та же информация. В следующий раз, когда информация потребуется, она будет доступна без обращения к диску.

Такое широко распространенное и ставшее стандартным для любого персонального компьютера устройство как мышь не поддерживается операционной системой. Для использования мыши следует подключить драйвер, который обычно поставляется вместе с этим устройством.

Другие устройства ввод/вывода (сканеры, плоттеры, стримеры и т.п.) также не поддерживаются DOS. Для этих устройств фирмы поставляют драйверы, которые надо подключить к операционной системе.