DOS-extender для компилятора Borland C++ 3.1, защищенный режим процессора 80286, организация многозадачной работы процессора
Страница 3
Рассмотрим, как таблица дескрипторов будет выглядеть на языке программирования C. (В дальнейшем где это только возможно будем применять язык С, а Ассемблер – только там, где это необходимо.):
typedef struct descriptor
{
word limit; // Предел (размер сегмента в байтах)
word base_lo; // Базовый адрес сегмента (младшее слово)
unsigned char base_hi; // Базовый адрес сегмента (старший байт)
unsigned char type_dpl; // Поле доступа дескриптора
unsigned reserved; // Зарезервированные 16 бит
} descriptor;
Данная структура описана в файле tos.h.
Инициализацию экземпляра такой структуры можно произвести при помощи функции, подобной функции init_gdt_descriptor, описанной в файле tos.c:
void init_gdt_descriptor(descriptor *descr,
unsigned long base,
word limit,
unsigned char type)
{
// Младшее слово базового адреса
descr->base_lo = (word)base;
// Старший байт базового адреса
descr->base_hi = (unsigned char)(base >> 16);
// Поле доступа дескриптора
descr->type_dpl = type;
// Предел
descr->limit = limit;
// Зарезервированное поле, должно быть
// сброшено в 0 всегда (для процессоров 286)
descr->reserved = 0;
}
Например, запись в третий по счёту элемент GDT информации о сегменте данных с сегментным адресом _DS и пределом 0xffff будет выглядеть так:
init_gdt_descriptor(&gdt[2], MK_LIN_ADDR(_DS, 0), 0xffffL,
TYPE_DATA_DESCR | SEG_PRESENT_BIT | SEG_WRITABLE);
Макрос MK_LIN_ADDR определен в файле tos.h и служит для преобразования адреса реального режима формата сегмент:смещение в физический адрес:
#define MK_LIN_ADDR(seg,off) (((unsigned long)(seg))<<4)+(word)(off)
Специальный регистр процессора 286 LDTR имеет длину 16 разрядов и содержит селектор дескриптора, описывающего текущую таблицу LDT.
В данном курсовом проекте я не использую регистр LDTR и не создаю таблицы LDT, в моем варианте достаточно обойтись только одним кольцом защиты (0) процессора и только таблицей GDT.
3.2 Переход в защищенный режим процессора 80286
При переходе в защищенный режим программа совершает следующие операции:
- Подготовка в оперативной памяти глобальной таблицы дескрипторов GDT. В этой таблице создаются дескрипторы для всех сегментов, которые будут нужны программе сразу после того, как она переключится в защищённый режим.
- Для обеспечения возможности возврата из защищённого режима в реальный записывает адрес возврата в реальный режим в область данных BIOS по адресу 0040h:0067h, а также пишет в CMOS-память в ячейку 0Fh код 5. Этот код обеспечит после выполнения сброса процессора передачу управления по адресу, подготовленному нами в области данных BIOS по адресу 0040h:0067h.
- Запрещает все маскируемые и немаскируемые прерывания.
- Открывает адресную линию A20 (попробуем оперировать блоками памяти выше 1 Мб).
- Запоминает в оперативной памяти содержимое сегментных регистров, которые необходимо сохранить для возврата в реальный режим, в частности, указатель стека реального режима.
- Программирует контроллер прерываний для работы в защищенном режиме.
- Загружает регистры IDTR и GDTR.
Необходимые функции для этого реализованы в файлах tos.c и TOSSYST.ASM:
Подготовка GDT осуществляется при помощи описанных выше функции init_gdt_descriptor() и макроса MK_LIN_ADDR().
Остальные действия, необходимые для перехода в защищенный режим, описаны в функции protected_mode() модуля TOSSYST.ASM:
Обеспечение возможности возврата в реальный режим:
push ds ; готовим адрес возврата
mov ax,40h ; из защищённого режима
mov ds,ax
mov [WORD 67h],OFFSET shutdown_return
mov [WORD 69h],cs
pop ds
Запрет прерываний:
сli
in al, INT_MASK_PORT
and al, 0ffh
out INT_MASK_PORT, al
mov al,8f
out CMOS_PORT,al
Открытие линии A20 производится вызовом функции enable_a20(), описанной в файле TOSSYST.ASM:
PROC enable_a20 NEAR
mov al,A20_PORT
out STATUS_PORT,al
mov al,A20_ON
out KBD_PORT_A,al
ret
ENDP enable_a20
Запоминаем содержимое сегментных регистров SS и ES:
mov [real_ss],ss
mov [real_es],es
Программируем при помощи функции set_int_ctrlr(), описанной в файле TOSSYST.ASM каскад контроллеров прерываний (Master и Slave) для работы в защищенном режиме (описание работы прерываний в защищенном режиме приведено ниже):
mov dx,MASTER8259A
mov ah,20
call set_int_ctrlr
mov dx,SLAVE8259A
mov ah,28
call set_int_ctrlr
Загружаем регистры IDTR и GDTR:
lidt [FWORD idtr]
lgdt [QWORD gdt_ptr]
И, напоследок, переключаем процессор в защищенный режим:
mov ax, 0001h
lmsw ax
3.3 Возврат в реальный режим процессора.
Для того, чтобы вернуть процессор 80286 из защищённого режима в реальный, необходимо выполнить аппаратный сброс (отключение) процессора. Это реализуется в функции real_mode(), описанной в файле TOSSYST.ASM:
PROC _real_mode NEAR
; Сброс процессора
cli
mov [real_sp], sp
mov al, SHUT_DOWN
out STATUS_PORT, al
rmode_wait:
hlt
jmp rmode_wait
LABEL shutdown_return FAR
; Вернулись в реальный режим
mov ax, DGROUP
mov ds, ax
assume ds:DGROUP
mov ss,[real_ss]
mov sp,[real_sp]
; Размаскируем все прерывания
in al, INT_MASK_PORT
and al, 0
out INT_MASK_PORT, al
call disable_a20
mov ax, DGROUP
mov ds, ax
mov ss, ax
mov es, ax
mov ax,000dh
out CMOS_PORT,al
sti
ret
ENDP _real_mode
Функция disable_a20(), описанная в файле TOSSYST.ASM закрывает адресную линию A20:
PROC disable_a20 NEAR
push ax
mov al, A20_PORT
out STATUS_PORT, al
mov al ,A20_OFF
out KBD_PORT_A, al
pop ax
ret
ENDP disable_a20
3.4 Обработка прерываний в защищенном режиме.
Обработка прерываний и исключений в защищённом режиме по аналогии с реальным режимом базируется на таблице прерываний. Но таблица прерываний защищённого режима является таблицей дескрипторов, которая содержит так называемые вентили прерываний, вентили исключений и вентили задач.
Таблица прерываний защищённого режима называется дескрипторной таблицей прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). Также как и таблицы GDT и LDT, таблица IDT содержит 8-байтовые дескрипторы. Причём это системные дескрипторы - вентили прерываний, исключений и задач. Поле TYPE вентиля прерывания содержит значение 6, а вентиля исключения - значение 7.
Формат элементов дескрипторной таблицы прерываний IDT показан на рис. 3.
Рис. 3. Формат элементов дескрипторной таблицы прерываний IDT.
Расположение определяется содержимым 5-байтового внутреннего регистра процессора IDTR. Формат регистра IDTR полностью аналогичен формату регистра GDTR, для его загрузки используется команда LIDT. Так же, как регистр GDTR содержит 24-битовый физический адрес таблицы GDT и её предел, так и регистр IDTR содержит 24-битовый физический адрес дескрипторной таблицы прерываний IDT и её предел.
Регистр IDTR программа загружает перед переходом в защищённый режим, в функции protected_mode() модуля TOSSYST.ASM при помощи вызова функции set_int_ctrlr(), описанной в файле TOSSYST.ASM.
Для обработки особых ситуаций - исключений - разработчики процессора i80286 зарезервировали 31 номер прерывания. Каждому исключению соответствует одна из функций exception_XX() из модуля EXCEPT.C. Собственно, описав реакцию программы на каждое исключение можно обрабатывать любые ошибки защищенного режима. В моем случае достаточно завершать программу при возникновении любого исключения с выдачей на экран номера возникшего исключения. Поэтому функции exception_XX() просто вызывают prg_abort(), описанной там же, и передают ей номер возникшего исключения. Функция prg_abort() переключает процессор в реальный режим, выводит сообщение с данными возникшего исключения и завершает работу программы.