Защищенный режим процессоров Intel 80286/80386/80486

6. ИЕРАРХИЯ СРЕДСТВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЗАЩИЩЁННОМ РЕЖИМЕ

Вы уже, наверное, обратили внимание на то, что программирование для защищённого режима значительно сложнее, чем для реального, и требует учёта большого количества важных деталей. Даже для того, чтобы просто перевести процессор i80286 в защищённый режим, требуется провести основательную подготовительную работу. Процессоры i80386 и i80486 значительно сложнее, чем i80286. Использование всех возможностей этих процессоров доступно только высококвалифицированным системным программистам и требует подробного ознакомления с руководствами по процессорам, поставляемыми фирмой Intel.

К счастью, существует программное обеспечение, облегчающее процесс создания программ для защищённого режима. Это программное обеспечение выступает в качестве интерфейса между программой пользователя и некоторой управляющей программой (например, мультизадачной операционной системой защищённого режима).

Мы рассмотрим средства, доступные программистам в среде MS-DOS версии 5.0 и MS WINDOWS версий 3.0 и 3.1.

Существует несколько уровней 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).

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).

Назначение драйвера HIMEM.SYS и его возможности были подробно описаны во второй части второго тома "Библиотеки системного программиста" (глава 10). 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.

Если в системе установлен драйвер HIMEM.SYS, ваша программа не должна пользоваться прерыванием INT 15h во избежание конфликта со схемой распределения расширенной памяти, используемой драйвером. 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).

В приложении мы описали действия, выполняемы командой LOADALL. Вы убедитесь, что команда полностью оправдывает своё название! (Load All - загрузить всё).

Следующий уровень - интерфейс EMS/VCPI. Во второй части второго тома "Библиотеки системного программиста", в главе 11, мы подробно рассматривали интерфейс EMS, который используется для работы с дополнительной памятью. Там же разъясняются отличия между расширенной и дополнительной памятью. Используя трансляцию страниц, некоторые драйверы памяти (например, EMM386 или QEMM) могут эмулировать присуствие дополнительной памяти, используя расширенную память. При этом стандартный набор функций управления дополнительной памятью, реализованный в рамках прерывания INT 67h, дополнен ешё 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 (DOS Protected Mode Interface - 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.

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.

Пример DOS-экстендера, поставляемого вместе с транслятором - 386-DOS/Extender фирмы Phar Lap.