Работа с дисками

В распоряжении программиста имеются средства разного уровня, предназначенные для работы с дисковой системой в среде MS-DOS.

Во-первых, любая программа может обращаться непосредственно к аппаратуре контроллера жесткого диска или контроллера накопителя на гибких магнитных дисках. Это самый низкий уровень, применение которого оправдано далеко не всегда. Более того, во многих источниках настоятельно рекомендуется не работать с контроллером на уровне портов, если точно не известно, зачем это нужно. Большинство задач решается с применением функций MS-DOS или BIOS (даже такие нетрадиционные задачи, как защита от несанкционированного копирования). Однако иногда программист бывает вынужден использовать самый низкий уровень, рискуя потерять совместимость с многочисленными типами дисковых контроллеров.

Во-вторых, программа MS-DOS может работать с дисками при помощи прерывания BIOS. В работе будут рассмотрены различные функции прерывания INT 13h, предназначенного для выполнения операций чтения, записи и форматирования. Использование функций прерывания INT 13h намного предпочтительнее, чем непосредственное программирование контроллера, так как BIOS скрывает особенности аппаратной реализации контроллера.

В-третьих, программа может обращаться к прерываниям MS-DOS, специально предназначенным для доступа к дисковой системе. Сервис, предоставляемый этими прерываниями также можно разделить на низко- и высокоуровневый, поэтому у программиста всегда есть выбор.

Выбирая средства обращения к дисковой системе, программист должен вначале рассмотреть возможность использования наиболее высокоуровневых документированных средств, таких как прерывания MS-DOS. И лишь затем имеет смысл обратиться к функциям BIOS или к программированию портов контроллера.

Несмотря на все сказанное выше, повествование о средствах работы с дисковой системой будет вестись в обратном порядке. Вначале будет рассказано об использовании наиболее низкоуровневых средств, и лишь затем будет рассказано о прерываниях BIOS и MS-DOS. Это позволит подойти к изучению высокоуровневых средств, имея полное представление о том, как устроена дисковая система.

Глава 1. Обзор дисковых устройств.

Первые персональные компьютеры типа IBM PC не имели жесткого диска ("винчестера", или, по отечественной терминологии, накопителя на жестком магнитном диске - НМД). Они были оборудованы двумя флоппи-дисками (накопителями на гибком магнитном диске - НГМД), которые и представляли собой дисковую систему. В таких компьютерах установлены, как правило, два накопителя для флоппи-дисков (дискет).

Эти накопители подключены к контроллеру - специальному устройству, выполняющему функции управления. Контроллер обычно выполнен в виде платы и вставлен в разъем системной шины, который находится на основной плате компьютера.

В компьютере IBM PC использовали дискеты диаметром 5,25". Сейчас пользователи практически отказались от громоздких дискет диаметром 5,25", отдавая предпочтение более компактным дискетам диаметром 3,5". Компьютер IBM XT имел один или два НГМД для дискет диаметром 5,25" и, как правило, один НМД емкостью 20 Мбайт. Все дисководы подключались к одному общему контроллеру. Модель IBM AT и компьютеры более высокого класса могут иметь несколько дисковых контроллеров, два НГМД с различным диаметром (3,5" и 5,25") и несколько НМД.

Пожалуй, самая интересная разновидность современных дисковых накопителей - оптические, или лазерные. В настоящее время существует несколько типов оптических дисковых накопителей. Это устройство чтения компакт-дисков CD-ROM , устройство записи CD Recordable , накопители WORM и магнитооптические накопители.

Диски CD-ROM (Compact-Disk, Read-Only Memory) - это диски, которые по своему формату и технологии записи информации напоминают звуковые компакт-диски. Они имеют диаметр 120 мм и могут содержать порядка 800 Мбайт информации. Эта информация записывается один раз и впоследствии может только читаться, как из постоянного запоминающего устройства.

Диски CD Recordable внешне очень похожи на диски CD-ROM , однако с помощью специального устройства пользователь может записать на него свою информацию. При необходимости можно на один и тот же диск дозаписывать новые данные. Диск CD Recordable можно прочитать с помощью обычного устройства чтения компакт-дисков CD-ROM.

WORM -диски (Write Once, Read Many) предназначены для однократной записи и многократного считывания данных. Эти диски, как и CD Recordable , наилучшим образом подходят для архивного хранения информации, например, содержимого обширных баз данных.

Магнитооптические накопители могут многократно записывать информацию на один и тот же носитель (как обычные магнитные диски). Это одни из самых дорогостоящих дисковых накопителей. Их производительность сравнима с производительностью обычных жестких дисков.

Основной недостаток лазерных накопителей (кроме магнитооптических) - относительно невысокое быстродействие по сравнению с традиционными накопителями на жестких дисках. Однако этот недостаток постепенно преодолевается.

Глава 2. Физические аспекты работы с дисками.

Что же, собственно, представляет из себя диск?

Дискета (флоппи-диск) - это круглая пластинка в квадратном конверте, покрытая с двух сторон магнитным материалом. Этот материал похож на тот, что используется в магнитных лентах обычных бытовых магнитофонов, но отличается по некоторым характеристикам (например, по форме и ширине петли гистерезиза). Ближе к центру в диске находится маленькое отверстие, предназначенное для синхронизации. Когда дискета вставляется в дисковод, с обеих сторон (сверху и снизу) к ней прижимаются магнитные головки. При этом нет никакого зазора между головками и поверхностью дискеты. С помощью специального шагового двигателя головки могут перемещаться скачкообразно вдоль радиуса диска, как бы прочерчивая при вращении диска концентрические окружности. Эти окружности называются дорожками, треками или цилиндрами - в литературе можно встретить различные названия.

Жесткий диск состоит из нескольких жестких круглых пластинок, покрытых магнитным материалом. Пластинки вращаются с огромной скоростью (порядка 7200 - 14400 оборотов в минуту) в герметичном корпусе. Около каждой стороны пластинки располагается по одной магнитной головке, но эти головки не соприкасаются с диском, а плавают на воздушной подушке в непосредственной близости от его поверхности. Подавая команды дисковому контроллеру, программа может перемещать блок головок вдоль радиуса диска, переходя таким образом от одного цилиндра к другому. Перемещаясь вдоль окружности дорожки, магнитная головка может записывать или считывать информацию примерно так, как это происходит в бытовом магнитофоне. Запись выполняется по битам, при этом добавляется различная служебная информация и информация для контроля данных.

Данные записываются не сплошным потоком, а блоками определенного размера. Эти блоки называются секторами. Сектор представляет собой наименьший объем данных, который записывается или прочитывается контроллером. Для каждого сектора выполняется контроль записи или чтения. При записи сектора вычисляется контрольная сумма всех байтов, находящихся в секторе, и эта контрольная сумма записывается на диск в служебную область, расположенную после сектора. При чтении эта контрольная сумма вычисляется заново и сравнивается с контрольной суммой, считанной из служебной области. При несовпадении контроллер сообщает программе об ошибке. Дорожки нумеруются начиная от нулевой, головки тоже начиная от нулевой, а вот секторы - начиная с первого. Почему так было сделано - сказать трудно, но именно такая нумерация используется при работе с контроллером диска и функциями прерывания BIOS, обслуживающими дисковую подсистему. В операциях чтения или записи на физическом уровне необходимо указывать номер дорожки (0, 1, ..), головки (0, 1, ..), номер сектора (1, 2, ..).

Для правильной работы с дисками на физическом уровне программа должна располагать существенно большей информацией о дисках, чем просто номер нужной дорожки или головки. Например, она должна знать, сколько головок и сколько дорожек имеет то или иное дисковое устройство, сколько байт содержится в одном секторе и многое другое.

Глава 3. Работа с дисками на физическом уровне.

Прежде чем начать работу с дисками на физическом уровне, необходимо выяснить конфигурацию дисковой системы - сколько дисководов и какого типа подключено к компьютеру, сколько дорожек и головок имеется на каждом из дисководов и т. д. Способ, которым определяется конфигурация дисковой системы, зависит от модели компьютера (PC, XT, AT), поэтому вначале займемся определением типа персонального компьютера.

3.1 Определение типа компьютера.

ПЗУ базовой системы ввода/вывода BIOS содержит по адресу FFFFh:FFFEh байт конфигурации, значение которого можно использовать для идентификации типа компьютера:

Для компьютеров IBM PC и IBM PC/XT конфигурация дисковой системы определяется установкой переключателей на основной плате, в частности, переключателями устанавливается количество подключенных к системе НГМД.

Компьютеры IBM PC/AT (и более высокого класса) имеют на основной плате CMOS-память с малым энергопотреблением, которая питается от аккумулятора. В CMOS-памяти хранится информация о конфигурации дисковой системы. В процессе инициализации BIOS считывает эту информацию и записывает ее в свою внутреннюю область данных.

Проанализировав значение байта конфигурации, можно сделать предварительное заключение о составе дисковой системы компьютера. Если оно равно FFh, FDh, F9h, то наш компьютер не имеет НМД - это одна из разновидностей IBM PC. Значения FEh, FBh могут соответствовать IBM PC/XT и совместимым с ним компьютерам. Такие компьютеры могут быть оборудованы НМД. И, наконец, значение FCh соответствует IBM PC/AT. Для этого компьютера конфигурация дисковой системы должна определяться исходя из содержимого CMOS-памяти.

3.2 Прерывание INT 11h.

Прерывание базовой системы ввода/вывода INT 11h возвращает в регистре AX байт конфигурации системы, который можно использовать для определения количества НГМД и наличия НМД. Самый младший бит байта конфигурации (бит 0) - признак наличия в системе НМД. Если этот бит установлен в 1, то компьютер оборудован НМД, иначе дисковая система состоит только из накопителей на гибких магнитных дисках.

Биты 7 и 6 содержат информацию о количестве НГМД:

Это прерывание лучше всего использовать для IBM PC/XT и IBM PC. Для IBM PC/AT необходимо исследовать содержимое CMOS-памяти. Займемся этим.

3.3 Анализ содержимого CMOS-памяти.

Программа не может непосредственно адресовать CMOS-память, как обычную оперативную память. Для работы с CMOS-памятью необходимо использовать порты ввода/вывода с адресами 70h и 71h, причем процедура записи или чтения состоит из двух шагов.

На первом шаге операции чтения или записи программа должна записать в порт 70h номер нужной ячейки CMOS-памяти (0..3Fh). На втором шаге программа должна обратиться к порту 71h для выполнения записи в указанную ячейку памяти или чтения из нее.

Приведем фрагмент программы, составленной на языке ассемблера, который считывает байт из CMOS-памяти с адресом 12h:

mov al,12h

out 70h,al ; задаем адрес в CMOS-памяти

jmp $+2 ; небольшая задержка

in al,71h ; записываем в AL считанное значение

Запись в CMOS-память выполняется аналогично.

При анализе конфигурации дисковой системы для нас представляют наибольший интерес ячейки CMOS-памяти со следующими адресами:

тАв 14h - байт конфигурации

Биты 7, 6 этого байта имеют такое же значение, что и в младшем байте слова конфигурации, возвращаемого прерыванием INT 11h - они содержат информацию о количестве установленных в компьютере НГМД.

Значение бита 0, равное нулю, говорит о том, что в системе нет ни одного НГМД.

тАв 10h - тип НГМД

Младшая и старшая тетрады этого байта описывают, соответственно, второй и первый НГМД:

тАв 12h - тип НМД C: и D:

Этот байт разделен на две тетрады аналогично байту, который описывает НГМД. Однако в тетраде можно закодировать только 16 значений, а различных типов НМД значительно больше. Поэтому тип 15 используется специальным образом - если тип НМД в младшей тетраде (диск C:) равен 15, то правильное значение типа находится в CMOS-памяти по адресу 19h. Аналогично для диска D: этот тип можно взять из байта по адресу 1Ah (если содержимое старшей тетрады байта с адресом 12h равно 15).

Если в вашем компьютере установлен НМД с интерфейсом ESDI , SCSI или другим специализированным интерфейсом, то, как правило, для работы с ними используется специальная "дисковая" базовая система ввода/вывода. Соответствующая микросхема ПЗУ может быть расположена непосредственно в контроллере. При этом в CMOS-памяти в ячейке 12h для типа диска может быть указано нулевое значение, несмотря на то, что диск установлен. Прерывание INT 11h , тем не менее, скажет вам, что в системе имеется НМД.

Если используется "дисковая" базовая система ввода/вывода, то она сама инициализирует таблицу параметров диска (будет описана позже) и выполняет обработку прерывания INT 13h . Так как MS-DOS при обращении к дискам использует именно это прерывание, то не возникает никаких проблем, связанных с отсутствием типа диска в CMOS-памяти. Другие операционные системы, такие как Windows NT и OS/2 , используют для работы с дисками специальные драйверы.

3.4 Таблицы параметров НМД и НГМД.

Для работы с диском на физическом уровне необходимо знать такие его характеристики, как количество головок, секторов и др. Эти характеристики можно определить из таблиц параметров НГМД и НМД, заполняемых BIOS в процессе инициализации системы.

Анализируя содержимое CMOS-памяти в компьютерах IBM PC/AT или установку переключателей конфигурации на основной плате в компьютерах IBM PC и IBM PC/XT, BIOS в процессе инициализации создает таблицу параметров дискеты DPT (Diskette Parameter Table), а также одну или две таблицы параметров жесткого диска HDPT (Hard Disk Parameter Table). Если имеется специальная "дисковая" система ввода/вывода, то она сама создает таблицы HDPT.

Таблица параметров дискеты DPT имеет длину 10 байт, ее адрес располагается в области данных BIOS по адресу 0000h:0078h, что соответствует вектору прерывания INT 1Eh . Таблица содержит следующие параметры:

Все времена зависят от частоты тактового генератора контроллера НГМД, приведенные значения соответствуют частоте 8 МГц.

Адреса таблиц параметров жестких дисков HDPT расположены по адресам, соответствующим векторам прерываний INT 41h (для первого физического диска) и INT 46h (для второго физического диска). Эти таблицы имеют следующий формат:

Таблица параметров жесткого диска содержит такие важнейшие значения, как максимальное количество дорожек и максимальное количество головок. Если вам не удалось определить тип диска, то таблица HDPT - единственное надежное место, откуда можно получить информацию о количестве дорожек и головок.

Глава 4. Программирование контроллера НГМД.

Большинство дисковых операций можно выполнить на уровне функций BIOS. Это самый простой и надежный способ работы с диском на физическом уровне. Однако в отдельных случаях вам может потребоваться непосредственный доступ к контроллеру НГМД - например, если вы разрабатываете систему защиты данных от несанкционированного копирования.

Информация, приведенная в этой главе, ориентирована прежде всего не на выполнение операций чтения или записи (которые лучше выполнять с помощью функций BIOS), а на управление контроллером и получение состояния контроллера. Именно эти операции требуются для организации защиты данных от несанкционированного копирования.

4.1 Порты контроллера НГМД.

Программа обращается к контроллеру для выполнения различных операций с помощью команд ввода/вывода. Для IBM PC и IBM PC/XT используются три порта с адресами 3F2h, 3F4h и 3F5h. В компьютерах IBM PC/AT дополнительно используются два порта с адресами 3F6h и 3F7h.

Порт 3F2h работает только на запись, это порт вывода. С его помощью можно выбирать для работы один из НГМД (одновременно можно работать только с одним НГМД), сбрасывать контроллер в исходное состояние, разрешать или запрещать прерывания от контроллера и работу схем прямого доступа к памяти, включать или выключать двигатели НГМД.

Приведем назначение отдельных бит этого порта:

Порт 3F4h предназначен только для чтения. С его помощью можно получить байт основного состояния контроллера. Назначение отдельных бит приведено ниже:

Порт 3F5h предназначен для записи или чтения данных. Он используется для всех операций.

Выполнение любой операции начинается с того, что программа посылает в этот порт байт кода операции, за которым следует один или несколько байт параметров. Количество байт параметров и их назначение зависит от кода операции (т. е. от первого байта). После выполнения операции программа считывает несколько байт результата для анализа результата выполнения операции.

Порт 3F7h работает на запись и чтение, он используется только в IBM PC/AT.

При записи в этот порт биты 0-1 определяют скорость передачи данных:

Приведем назначение отдельных бит порта 3F7h при чтении из него:

4.2 Команды для контроллера НГМД.

Контроллер НГМД может выполнять 15 операций, или команд. Команда разделяется на три фазы - командная фаза, фаза выполнения, фаза результата. В командной фазе программа должна передать контроллеру всю информацию, необходимую для команды. В фазе выполнения команда выполняется, и в фазе результата программа получает от контроллера информацию о состоянии контроллера.

Информация, необходимая для команды, передается контроллеру через порт данных 3F5h. В соответствии с форматом команды программа должна последовательно вывести в этот порт код команды и все параметры.

Прежде чем программа начнет командную фазу, она должна убедиться в том, что контроллер завершил выполнение предыдущей операции и готов к приему команды. Для этого программа должна прочитать байт основного состояния контроллера из порта с адресом 3F4h и проверить биты 6 и 7. Бит 6 должен быть установлен в 0. Это означает, что данные будут передаваться от процессора к контроллеру. Бит 7 должен быть установлен в 1 - это готовность контроллера к приему команды.

Фаза выполнения начинается после установки битов 6 и 7 байта основного состояния в 1. После завершения команды контроллер формирует сигнал запроса прерывания.

В фазе результата процессор считывает состояние контроллера. Это состояние хранится в нескольких внутренних регистрах контроллера:

тАв RS - регистр основного состояния;

тАв ST0, ST1, ST2, ST3 - регистры дополнительного состояния.

Регистр основного состояния доступен через порт 3F4h, содержимое остальных регистров процессор считывает после выполнения контроллером команды через порт данных 3F5h.

В форматах команд и таблицах, приведенных ниже, используются следующие обозначения:

Приведем форматы всех команд контроллера НГМД.

• Чтение данных

• Чтение удаленных данных

• Запись данных

• Запись удаленных данных

• Чтение данных с дорожки

• Сканирование до "равно"

• Сканирование до "меньше" или "равно"

• Сканирование до "больше" или "равно"

• Форматирование дорожки

• Считывание индексных данных

• Инициализация

• Чтение состояния прерывания

• Определение параметров

• Чтение состояния накопителя

• Поиск

Первые несколько команд имеют одинаковый формат параметров и одинаковые байты результата.

Приведем байты параметров, которые должны следовать за командами и байты результата, которые процессор должен считать после выполнения команды.

После выполнения команды центральный процессор должен получить от контроллера байты результата. Среди них - содержимое внутренних регистров состояния контроллера ST0, ST1, ST2, ST3. Опишем назначение отдельных бит этих регистров.

Формат регистра ST0:

Формат регистра ST1: