Операционная система MS-DOS

1.4. Обзор прерываний BIOS

Как правило, любая программа работает с тем или иным устройством ввода/вывода. Программы для первых ЭВМ работали непосредственно с портами и регистрами этих устройств. Модули, выполняющие такие стандартные действия, как ввод данных с перфокарт или печать результатов вычислений, входили в состав пользовательских программ.

В начале своего развития микропроцессорные системы имели в своем составе программу, называемую "монитор". Эта программа обычно находилась в постоянном запоминающем устройстве и обслуживала устройства ввода/вывода: клавиатуру, дисплей, кассетный накопитель на магнитной ленте и др. Диалоговая часть монитора позволяла выполнять некоторые операторские функции: загрузку и запуск программы, отладку программы в пошаговом режиме, печать текстов, просмотр и редактирование содержимого памяти и т.п. Но самое главное - прикладные программы, составленные для этих систем, могли пользоваться модулями монитора для работы с периферийной аппаратурой и для выполнения других функций.

Программа уже не содержала все необходимые для ее работы модули, а пользовалась "стандартными" услугами программы-монитора. Такая организация программы не только уменьшила размер ее загрузочного модуля, но и позволила программистам сосредоточить свои усилия на решении основной задачи.

Как программа пользовалась услугами монитора? Механизм взаимодействия программы пользователя и монитора был реализован по-разному в разных системах. В худшем случае прикладная программа пользовалась известными абсолютными адресами модулей монитора, в лучшем - использовала специальные таблицы адресов программных модулей.

К сожалению, разные системы были несовместимы по составу модулей монитора и механизму их вызова, что сильно затрудняло, если не совершенно исключало их программную совместимость.

В первом массовом персональном компьютере IBM PC модули обслуживания стандартной периферии были записаны в постоянном запоминающем устройстве. Совокупность этих модулей (плюс программа начальной инициализации и тестирования) называется базовой системой ввода/вывода - Basic Input/Output System. Общепринятое сокращение - BIOS.

Выпускаемые различными фирмами компьютеры, совместимые с IBM PC, могут немного отличаться по типу периферийного оборудования, но для достижения совместимости с IBM PC модули BIOS нивелируют эти различия, предоставляя в распоряжение программы пользователя стандартный набор модулей для работы с устройствами ввода/вывода.

Не будет преувеличением сказать, что одна из причин такого невиданного успеха компьютера IBM PC на рынке персональных компьютеров - наличие хорошо продуманного стандартного интерфейса модулей BIOS и прикладных программ. Именно благодаря этому интерфейсу достигается почти стопроцентная совместимость по программному обеспечению компьютеров этого типа, выпускаемых разными фирмами.

В этом разделе книги мы расскажем о том, как прикладные программы, составленные для компьютера, совместимого с IBM PC, могут пользоваться модулями BIOS для работы со стандартной периферией, затем приведем краткий обзор основных модулей BIOS.

Напомним вам, что такое программные прерывания, так как именно они используются для вызова модулей BIOS.

В начале оперативной памяти персонального компьютера (в пределах первого килобайта) находится так называемая векторная таблица прерываний. Она состоит из 256 ячеек, хранящих адреса программ-обработчиков прерывания. Мы будем подробно изучать эту таблицу в главе 4, а сейчас вспомним машинную команду INT <n>.

По этой команде содержимое ячейки векторной таблицы прерываний с номером n помещается в адресные регистры процессора, причем в стеке запоминается текущее содержимое адресных регистров. Управление передается по адресу, записанному в ячейке таблицы. Программа-обработчик прерывания должна заканчиваться командой IRET, по которой из стека извлекается старое значение адресных регистров и управление передается обратно в программу, вызвавшую прерывание командой INT <n>.

Вообще говоря, процедура вызова и обработки программного прерывания похожа на процедуру вызова подпрограммы. Отличие заключается в том, что вызывающая программа "не знает" абсолютного адреса модуля обработки прерывания в памяти. Поэтому работа программ не зависит от адресов расположения модулей обработчиков прерывания.

Для вызова модуля BIOS программа использует команду INT <n> с соответствующим номером n. Программа передает параметры модулям BIOS через регистры процессора, результат работы модуля возвращается также в регистрах.

Не все номера прерываний n используются BIOS. Часть из них предназначена для аппаратных прерываний от устройств ввода/вывода, часть зарезервирована для DOS, часть - для программ пользователя.

Подробно прерывания BIOS будут изучаться во втором томе, так как описание этих прерываний трудно отделить от описания особенностей аппаратуры. Приводимый здесь обзор предназначен в основном для иллюстрации основных возможностей BIOS по обслуживанию периферии, поэтому в обзор вошли не все прерывания BIOS, а только самые важные. Остальные прерывания будут изучаться по мере необходимости при изложении соответствующего материала.

Получение информации об оборудовании

INT 11h - Получить список оборудования.

Прежде чем пытаться работать с каким-либо устройством ввода/вывода, следует убедиться в том, что оно есть в составе оборудования компьютера. В процессе инициализации тестовые модули, находящиеся в BIOS, динамически определяют состав аппаратного обеспечения машины и записывают конфигурацию системы в специально отведенную для этого ячейку памяти.

Программа, вызывая прерывание INT 11h, получает в регистре AX содержимое этой ячейки. Каждый бит в слове конфигурации отвечает за соответствующее устройство.

Анализируя слово конфигурации, программа может узнать, входят ли в состав оборудования компьютера дискеты и если входят, то сколько дисководов имеется в наличии, присутствует ли арифметический сопроцессор, какой начальный режим дисплейного адаптера используется, сколько в системе принтеров, адаптеров последовательного интерфейса RS232, подключен ли игровой адаптер (джойстик)?

Обычно прикладная программа не работает сама с аппаратурой, а пользуется услугами операционной системы. При обращении к стандартной аппаратуре через операционную систему программа пользователя получит признак ошибки, если запрашиваемое устройство отсутствует. Программы, составленные на языке программирования Си при использовании библиотеки эмуляции арифметического сопроцессора, сами определяют, имеется сопроцессор или нет, и не пытаются пользоваться отсутствующим устройством. Операции сопроцессора эмулируются центральным процессором и программа просто работает медленнее.

Но если программа обращается непосредственно к портам ввода/вывода отсутствующего устройства, это может привести в лучшем случае к зависанию системы.

INT 12h - Получить размер основной памяти.

Сказанное выше справедливо и по отношению к оперативной памяти. Для работы некоторых программ требуется достаточное количество памяти. Прерывание INT 12h возвращает в регистре AX количество имеющихся блоков памяти размером в один килобайт. Анализируя эту величину, программы могут при нехватке памяти либо вывести на экран соответствующее сообщение и отказаться от работы, либо изменить алгоритмы работы, организовав, например, "виртуальную" память на диске или просто записывая в файл промежуточные результаты.

Если Ваш компьютер оборудован расширенной памятью (адресное пространство этой памяти находится выше границы в 1 мегабайт), размер этой памяти в килобайтах можно узнать, вызвав прерывание INT 15h со значением регистра AX, равным 8800h.

Работа с дисплейным адаптером.

Прерывание INT 10h выполняет все многочисленные операции по обслуживанию дисплейного адаптера.

При вызове прерывания INT 10h, как и при вызове многих других прерываний, регистр AH содержит номер функции, которую требуется выполнить. Остальные регистры при вызове прерывания содержат операнды.

Программирование дисплейного адаптера - сложная задача. Функции, выполняемые прерыванием INT 10h обширны, полностью они будут описаны во втором томе книги. Приведем краткий обзор функций прерывания INT 10h.

00h - Задание видеорежима.

Эта функция обычно вызывается первой при начале работы с дисплейным адаптером или при необходимости изменить текущий режим адаптера. Что здесь имеется в виду?

Напомним, что дисплейный адаптер может работать либо в текстовом, либо в графическом режиме. На самом деле существует несколько текстовых и несколько графических режимов, различающихся количеством строк и столбцов, способом представления цвета и т.д.

В процессе инициализации BIOS задает начальный режим адаптера исходя из его типа. Если Вашей программе нужен другой режим, отличный от исходного, она должна использовать эту функцию. При этом необходимо учитывать, что дисплейные адаптеры могут поддерживать не все режимы.

01h - Установить характеристики курсора.

С помощью этой функции вы можете установить размер и форму курсора, сделать курсор мигающим или убрать его совсем.

02h - Установить положение курсора.

Эта функция позволяет управлять расположением курсора на экране, в частности, один из способов убрать курсор - расположить его за пределами экрана, например, на несуществующей 26 строке.

03h - Получить положение курсора.

Программа может узнать в любое время, где расположен курсор. Это может потребоваться ей, например, для того, чтобы переместить курсор в следующую позицию (вправо, вверх, вниз, на 10 символов левее текущего положения и т.д.).

04h - Получить положение светового пера.

Световое перо используется относительно редко, однако если оно есть, то функция 04h позволит вам работать с этим устройством.

05h - Выбрать активную страницу дисплейной памяти.

Компьютер хранит, как правило, не один отображаемый образ экрана, а несколько. Для этого видеопамять (память для хранения видеоизображения, находится на плате видеоконтроллера) разбивается на так называемые страницы. Отображается только активная страница видеопамяти.

Используя механизм страниц, программа может заранее подготовить изображение в неактивной странице, затем сделать подготовленную страницу активной. Изображение новой страницы мгновенно появится на экране.

Некоторые отладчики программ используют одну страницу видеопамяти для отлаживаемой программы, другую - для выдачи своих диагностических сообщений.

06h, 07h - Прокрутка (скроллинг) окна вверх/вниз.

С помощью этих функций вы сможете переместить выбранную область окна на заданное число строк вверх или вниз. Освободившееся место будет заполняться пустыми строками. Одно из применений этой функции - полная очистка экрана.

08h, 09h - Прочитать/записать символ и атрибут.

С помощью этих функций можно прочитать или записать символ и его атрибут. При записи символа можно задать число повторений. Функцию записи с повторением удобно использовать для заполнения области экрана каким-либо символом.

Запись/чтение символа начинается с текущего положения курсора.

0Ah - Записать символ.

Эта функция предназначена для записи символа в видеопамять без задания для него индивидуального значения атрибута. Используется текущий атрибут. Можно задавать кратность записи.

0Bh - Выбрать цветовую палитру.

Эта функция позволяет управлять цветом рамки вокруг изображения в текстовом режиме и цветом фона в графическом режиме (для адаптеров EGA, VGA).

0Ch, 0Dh - Записать/прочитать графическую точку.

Можно высветить точку заданного цвета в заданном месте экрана для выбранной дисплейной страницы или прочитать значение цвета любой точки на экране соответственно.

0Eh - Запись символа на экран в стиле TTY.

После записи символа на экран курсор продвигается на следующую позицию, при этом обрабатываются такие управляющие символы, как BEL (подача звукового сигнала), возврат на одну позицию, перевод строки, возврат к началу строки.

0Fh - Прочитать текущий видеорежим.

Если Ваша программа изменяет видеорежим, она может сохранить старый видеорежим, получив его с помощью этой функции.

Кроме того, функция возвращает количество столбцов на экране и номер текущей активной дисплейной страницы.

10h, 11h, 12h - Обслуживание адаптера EGA.

Эти функции работают только при использовании дисплейных адаптеров EGA и VGA. Они позволяют устанавливать свою цветовую палитру, загружать знакогенератор (например, шрифтом для русских букв) и выполнять некоторые другие функции.

13h - Запись строки.

Для машин класса AT и выше при наличии дисплейных адаптеров EGA или VGA эта функция позволяет вывести на экран произвольную строку символов заданной длины, с заданным атрибутом и в заданном месте экрана. Можно также задать номер дисплейной страницы.

Если вы не можете использовать эту функцию (Ваш компьютер - XT или дисплейный адаптер - CGA), единственный способ вывести на экран строку символов с помощью прерывания INT 10h - вызывать в цикле функции 09h, 0Ah или 0Eh для вывода строки по одному символу.

Обслуживание клавиатуры.

Обработчик прерывания INT 16h выполняет несколько функций, связанных с обслуживанием клавиатуры. Мы не будем сейчас перечислять эти функции, они будут подробно описаны в главе, посвященной клавиатуре. С помощью функций обслуживания клавиатуры можно выполнить ввод кода нажатой клавиши как с ожиданием нажатия, так и без ожидания. В последнем случае функция сразу после вызова возвращает код нажатой клавиши или признак того, что никакая клавиша не нажималась.

Заметим, что символы, введенные с клавиатуры, помещаются в специальный клавиатурный буфер. Функция ввода символа без ожидания нажатия на клавишу проверяет состояние буфера - есть в нем символы, или нет. Если в буфере есть символы, первый помещенный в буфер символ возвращается программе. Этот символ затем может быть считан функцией ввода с ожиданием нажатия - фактически ожидания при этом не будет.

Для очистки буфера клавиатуры также можно использовать пару описанных выше функций: сначала программа проверяет пуст ли буфер, и, если он не пуст, считывает символ. Считанный символ никуда не помещается (теряется). После считывания символа программа опять проверяет содержимое буфера и так до тех пор, пока клавиатурный буфер не окажется пустым.

Для машин класса не ниже AT обработчик прерывания INT 16h выполняет и другие функции: установку задержки, запись символов в буфер клавиатуры, обслуживание расширенной клавиатуры.

Обслуживание дисковой подсистемы.

Прерывание INT 13h предназначено для обслуживания жестких и флоппи-дисков. Многочисленные функции прерывания INT 13h выполняют все операции по вводу/выводу на диски. Мы сделаем обзор только самых важных функций, остальные будут рассмотрены в книге 3, посвященной файловой системе.

00h - Сброс дисковой системы.

Эта функция выполняет установку в исходное состояние всей дисковой системы или выбранного дискового устройства. Используется обычно перед началом работы с устройством.

01h - Получить состояние дисковой системы.

Эта функция позволяет проверить результат выполнения предыдущей операции. Если операция завершилась аварийно, при помощи этой функции можно определить код ошибки.

02h/03h - Чтение/запись секторов.

Выполняется чтение секторов в оперативную память компьютера или запись информации из памяти в сектора диска.

Сектор задается для выбранных устройства, дорожки и головки. Программа должна также задать количество читаемых/записываемых секторов.

04h - Проверка секторов.

Функция проверяет сектора на правильность циклической контрольной суммы, CRC (Cyclic Redundancy Check); записи содержимого секторов в память не происходит.

Другие функции прерывания INT 13h.

Среди других функций прерывания INT 13h - форматирование дорожки, позиционирование головки на заданную дорожку диска, тестирование и предварительная установка диска, запуск диагностики контроллера и многое другое. Описание этих функций мы отложим до глав, посвященных файловой системе.

Вывод на принтер (параллельный порт).

BIOS содержит простейшую поддержку принтера - три функции прерывания INT 17h. Это функция 01h - инициализация принтера, 02h - опрос состояния принтера и 00h - вывод символа на принтер.

Поскольку к персональному компьютеру можно подключить несколько последовательных портов, при обращении к принтеру следует указывать номер порта.

Обслуживание последовательного порта связи

Функции прерывания INT 14h обслуживают порт последовательной передачи данных RS232. С помощью этих функций можно задавать формат и скорость передачи данных, определять состояние портов и, конечно, выполнять побайтную передачу данных.

Работа с системными часами.

Функции прерывания INT 1Ah обслуживают часы, имеющиеся в каждом компьютере. С их помощью вы можете установить время и дату, опросить текущее состояние часов. Вы можете работать с часами реального времени, которые имеются на машинах класса не ниже AT.

Для AT можно установить на заданное время "будильник" - в нужный момент будет вызвано прерывание "будильника" с номером 4Ah. Обработчик прерывания INT 4Ah может подать звуковой сигнал или вывести на экран предупреждающее сообщение.

Перезагрузка операционной системы.

Вызов прикладной программой прерывания INT 19h приведет к перезагрузке операционной системы.

Системный сервис для машин класса AT.

Прерывание INT 15h использовалось в компьютерах IBM PC и IBM PC Jr для управления кассетным накопителем на магнитной ленте (функции 0-3). Для машин класса AT и более высокого класса прерывание INT 15h имеет и другое назначение. С его помощью обслуживается расширенная клавиатура, выполняется программная задержка, задаваемая в микросекундах, обслуживается расширенная память. Кроме того, одна из функций прерывания INT 15h переводит процессор 80286 или 80386 в защищенный режим. Заметим, что вернуть процессор обратно в реальный режим можно только сигналом начального сброса. Это же относится и к арифметическому сопроцессору 80287.

Функция C0h прерывания INT 15h выдает дополнительные сведения о конфигурации аппаратных средств компьютера.

Для PS/2 назначение некоторых функций этого прерывания другое по сравнению с машиной AT.

На этом мы завершим описание предоставляемых BIOS функций и перейдем к обзору функций DOS.