Chip 1996 April

home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search

/ Chip 1996 April / CHIP 1996 aprilis (CD06).zip / CHIP_CD06.ISO / hypertxt.arj / 9410 / 386_3.CD < prev next >

Wrap

Text File | 1994-11-23 | 19KB | 325 lines

@VVédett módú grafikai példaprogram@N @VModern idôk -- III.@N Sorozatunk második részében a 386-os védett módjába való belépés és az az alatti programozás elméleti alapjaival foglalkoztunk. Ezúttal a gyakorlati megvalósítást tárgyaljuk egy, a VGA memóriáját lineárisan címzô grafikus példaprogram kapcsán. @KAz assembly forráslistát -- annak hossza miatt -- itt nem@N @Kközöljük, az érdeklôdôk szerkesztôségünkben megkaphatják.@N @KA file 386_3.ARJ néven a CT BBS-en is megtalálható. (Tel.:@N @K140-9312, minden este 6-tól reggel 9 óráig.)@N @VA 80386 védett módjának használata nagyvonalakban@N A 80386 processzor védett módban való használatához elengedhetetlenül szükséges a CPU által használt vezérlôregiszterek és memóriatáblázatok elôzetes feltöltése és a hardver megfelelô átállítása. E tevékenységet és néhány biztonsági ellenôrzést a szakirodalomban System Builder néven említett programrész végzi el, a program memóriában elfoglalt helyzetének függvényében. Feladatainak végeztével a processzor CR0 regiszterének beállításával a processzort védett módba lépteti, majd -- távoli ugrással törölve a CPU elôolvasási tárát -- elindítja a System Kernel nevû felügyelô programot. A Kernel felel a teljes, védett módban futó rendszer mûködéséért. Feladata a taszkok (egyes feladatok vagy alprogramok) indítása, a processzoridô és az erôforrások helyes megosztása, az esetlegesen fellépô hibák kezelése, valamint a virtuális memória lapozása. A Kernel feladatai közé tartozik a védett módú futás alatt fellépô DOS vagy BIOS I/O igény valós módú visszalépésekkel vagy V86 taszk nyitásával való teljesítése. Ha a rendszerbôl való végleges kilépésre van szükség, a Kernel zárja le a futó taszkokat, törli a virtuális memória lemezen elhelyezkedô részeit, valamint visszaállítja a szegmensek és a CR0 regiszter valós módban használatos értékeit. E rövid áttekintô ismertetés után lássuk részletesen az egyes lépéseket. A példaprogram természetesen változtatás nélkül futtatható az összes, IBM AT 386 számítógéppel védett módban is teljesen kompatibilis rendszerben, de nem futtatható olyan memóriakezelô program felügyelete alatt, amely már korábban védett módba kapcsolt (például: EMM386, QEMM, NetRoom), s nem futtatható a Windows felügyelete alatt sem. E cikksorozat és a szöveglistákban lévô megjegyzések alapján bárki, aki érdeklôdik a 80386 assembly nyelven való védett módú programozása után, megértheti az ehhez szükséges legelemibb ismereteket. Mûködô példaprogram híján kénytelen voltam az eredeti Intel processzorleírás használatával -- és némi hardver ismerettel -- magamtól kiszenvedni egyet. (Az általam ismert szakirodalom nem foglalkozott 386-os AT alaplap átprogramozásával, csak a processzor védett módba léptetésével.) Nem hiszem, hogy egyedül fel lehet venni a versenyt a nagy védett módú operációs rendszerekkel és memóriamenedzser programokkal, de úgy gondolom, hogy a védett módú programozás ismerete elôsegíti az egyre jobb -- kompatibilitást nem igénylô -- képfeldolgozó, zenei, játék és demó programok fejlesztését. @VA System Builder@N Rövid bejelentkezô felirat kiíratása után a System Builder ellenôrzi a szabad DOS memória méretét, valamint azt, hogy V86 taszkban, egy már futó System Kernel felügyelete alatt fut-e. Már futó védelmi rendszer esetén a 0. védelmi szint elérése, és a rendszer felépítése nem lehetséges, minden, rendszerregiszterbe való írási kísérlet kizárást hozna létre. V86 taszk esetén az új System Builder hibaüzenettel kilép. Az ellenôrzést a CR0 0. bitjének (PE = Protection Enable) tesztelésével végzi el, amelynek 1 értéke jelzi, hogy a processzor már védett módban van. Mivel a kontroll regisztereknek (CRx) és az EFlags regiszternek nagy jelentôsége van a védett módú programozásban, részletesen elmagyarázom felépítésüket (lásd a ""CRx és EFLAGS" ábrát). A fenntartott és üresen hagyott biteket nullára kell állítani a késôbbi Intel processzorokkal való kompatibilitás miatt. Léteznek még a tesztelést (TRx) és nyomkövetést (DRx) elôsegítô vezérlôregiszterek is, de ezek használata nem feltétlenül szükséges egy védett módú rendszer futásához, inkább csak diagnosztikai és debugger programok írásához. Bitenkénti felosztásukat késôbbi cikkemben fogom megadni. 80386 processzorra írt programokban nem javasolt a CR1 regiszter bárminemû felhasználása. Ha a processzor még valós módban leledzik, a System Builder feladata a védett módú futás elôkészítése. Külön szegmenseken, 16-tal osztható címekre elhelyezi a globális és interruptleíró táblázatokat, melyekben az 1 Mbyte alatti lineáris címek kitöltését a program aktuális címének megfelelôen, futásidôben kell elvégezni. Ezután megkeresi az elsô, 4096-tal osztható szabad címet (laphatárt) a memóriában, ahol felépíti a lapkönyvtárat és az elsô öt laptáblát, ami 20 Mbyte lapszervezésû virtuális memória címzését teszi lehetôvé. A program az ötödik laptábla felhasználásával a lineáris címtartomány 16 Mbyte feletti 4 Mbyte méretû részével lehetôvé teszi az SVGA grafikus kártyákon elhelyezett, maximum 4 Mbyte méretû RAM virtualizálását nem lapozott, folyamatos címterületté. Ez a szervezés jelentôsen megkönnyíti a nagyfelbontású képernyôt használó grafikus programok írását. A példaprogram a kompatibilitás miatt a standard VGA kártyák által is ismert 360*480 felbontású 256 színû üzemmódot használja, de az inicializáló és a lapozó rutinok cseréjével ez bármely kártya bármely üzemmódjára átültethetô. Ezzel a megoldással akár hardver EMS kártyák memóriája is lineáris címtartománnyá alakítható. A lineáris címtartomány elsô 1 Mbyte-ja a Kernel és a DOS memória állandó elérhetôsége miatt a fizikai memória azonos címtartományára mutat. Az inicializálás további része tiltott interrupt állapotban kell fusson, mert bármely interrupt elfogadása hibára vezethet félig beállított processzorállapot esetén. Az IBM AT alaplapokon lehetôség van az NMI interrupt hardverrel való maszkolására, amit a program idôlegesen igénybe is vesz. Elsô feladat a még futtatható HIMEM.SYS segítségével az A20 címvezeték engedélyezése az extended memória elérésére, valamint az esetleges XMS foglaltság ellenôrzése. Elônyösebb lenne, ha ezt a mûveletet sem kellene más programra bízni, de hála a különbözô alaplapok zseniális tervezôinek és gyártóinak, az A20 címvezeték maszkolása szinte minden típuson más és más. Az A20 címvezeték sikeres engedélyezése után az interrupt vezérlô átállítása következik. Mint köztudott, az IBM AT gépek IRQ0-7 vezetékei az INT 08H-0FH, IRQ8-15 vezetékei pedig az IRQ2 kaszkád vonalon keresztül az INT 70H-77H megszakításokat váltják ki. A 80386 processzor azonban kizárások feldolgozására tartja fent az INT 00H-1FH megszakítási vektorokat, ami miatt legalább az IRQ0-7 vonalak megszakítási vektorait át kell irányítani a processzor által szabadon hagyott INT vektorok egy csoportjára. A példaprogram az INT 20H-2FH vektorokat használja a hardver interruptok fogadására. A CPU védett módra való felkészítése néhány utasítással elvégezhetô. Elsô a CR3 regiszter beállítása, melybe a lapkönyvtár fizikai címét kell betölteni az ábra szerint. Ez az egyetlen fizikai címként értelmezett regiszter a rendszer teljes futásideje alatt. Az LIDT és LGDT utasítások használatával a System Builder betölti az interrupt és globális leíró táblázatok leíróit a processzor IDTR és GDTR szegmensleíró regisztereibe. Végül a CR0 0. és 31. bitjének egyes értékbe állításával engedélyezi a védett módú címzést és a lapozóáramkör mûködését. Végül egy távoli ugrással törli a processzor elôolvasási tárát, és átadja a vezérlést az immár védett módban futó System Kernelnek. @VA System Kernel@N A System Kernel felügyelô program elsô feladata a gépben fellelhetô memória linearizálása, saját taszkállapot szegmens (TSS=Task State Segment) létrehozása, továbbá a billentyûzet és timer interruptok, valamint a legfontosabb kizárások kezelése. A példaprogram létrehozza ugyan saját taszkállapot szegmensét, de nem használja. Ez az egyszerû rendszer még csak 0. védelmi szinten, egy taszkban fut. A taszkok részletes ismertetése következô cikkem témája lesz. Elôzetesen leírom a 80386 által használt 32 bites TSS felépítését (lásd a ""TSS felépítése" címû ábrát!). A System Kernel feladata még a koprocesszor védett módba állítása és virtualizálása, amit kisebb jelentôsége és helyhiány miatt szintén egy késôbbi cikkemben mutatok majd be. A linearizálás a memória méretének ellenôrzésébôl és a laptábla helyes kitöltésébôl áll. A példaprogram lehetôvé teszi 15 Mbyte virtuális memória létrehozását a szabad DOS memória és a teljes XMS memória felhasználásával. A példaprogram XMS nélkül, 1 Mbyte RAM-mal rendelkezô alaplapon is futtatható. A példaprogram által használt virtuális memória lapszervezésû. E virtuális memória bármely nem jelenlévô (fizikai memóriában nem elérhetô) lapjára való hivatkozás laphibát vált ki. A laphiba kizárás lapcserét kezdeményez, amely valós módba való gyors visszalépések létrehozásával -- valós módú DOS hívások felhasználásával -- behívja a hiányzó lapot az elôre meghatározott file-ból. Ha a lap behívására nincsen szabad lap a fizikai memóriában, a lapozó feladata -- a lapozási stratégiának megfelelôen -- a legkevésbé vagy legrégebben használt lap törlése a virtuális memóriából. A laptábla megfelelô módosítása után a laphibát kezelô rutin a processzor CR3 regiszterének újratöltésével (azonos értékre is lehet) törli a processzor belsô lapfordítást gyorsító tárát, a TLB-t (Translation Lookaside Buffer). A TLB-ben a processzor az utolsó 32 sikeres lapfordítás eredményét tárolja a laptáblához való sûrû és idôpocsékoló hozzáférés elkerülésére. Ezek között a laptábla módosítása miatt már nem aktuális eredmény is lehet. Az így betöltött területek tartalma szabadon megváltoztatható, de az egyszerûség kedvéért a példaprogram a változásokat még nem írja vissza az adott file-ba. A lapozáshoz használt DOS visszalépés teljes valós módú visszatérés, amit a védett módú program bármikor, más célra is igénybe vehet. Ennek során a védett módhoz kapcsolódó teljes rendszerállapot mentésre kerül. A valós módban futó rutin memóriában tárolt értékeket és általános regisztereket adhat át a védett módú programnak és viszont. A szegmensregiszterek értéke nem kerülhet átadásra a valós módú rutinnak, így azok visszatérés után változatlanok lesznek. A valós módú rutin bármely szegmensregiszter értékét szabadon módosíthatja, visszaállításuk nem kötelezô. A timer interrupt (IRQ0) kezelése a lapozás optimalizálására és az idôosztás taszkváltásaira egyaránt használható. A timer vezérlésére használható elsôsorban. Felprogramozása a védett módba való minden belépéskor szükséges. A billentyûzet interrupt (IRQ1) kezelése lehetôséget ad az aktív taszk váltására, lezárására és a rendszerbôl való gyors kilépésre. A példaprogram csak képkirakásra ([1-[4] gombok), funkcióválasztásra ([5-[8]) és kilépésre ([Esc) használja a billentyûzetet. A billentyûzetkezelôbe be van építve egy lefagyás esetén alkalmazható vészkilépés a [SysRq] gomb használatával. @VKilépés valós módba@N Sokszor szükséges, hogy reset használata nélkül lehessen visszaléptetni a rendszert védett módból valós módba. Erre a 80386 processzor lehetôséget ad a CR0 regiszter 0. bitjének törlésével, de visszalépés elôtt a processzort és a hardvert vissza kell állítani valós módra, enélkül a DOS mûködésképtelen. Elsô teendô a megszakítások szokásos tiltása. Ezt követi a szegmensregiszterek 65535 limit értékû és valós módnak megfelelô bázisértékû feltöltése az alsó 1 Mbyte lineáris címterületen. A laptábla e szegmensek területén a logikai címekkel megegyezô fizikai címekre kell, hogy mutasson. Az interrupt vezérlô és a timer gyakoriság visszaprogramozása után következhet a CR0 0. és 31. bitjének törlése. Egy távoli ugrással frissíteni kell az elôolvasási tárat, majd IDTR értékét 0 bázisú és 03FFH limit értékû leíróval kell feltölteni. A GDTR-t nem kell visszaprogramozni. Érdemes a BIOS adatterületen az [Alt], [Shift] és [Ctrl] billentyûk esetleges lenyomott állapotjelzésének törlése a bosszúságok elkerülésére. Az interruptok engedélyezése után a DOS mûködôképes, amennyiben memóriaterületei sértetlenek. @VTanácsok védett módú programok írásához@N A megszakítások kiosztását és a memóriaszervezést -- fôképpen a lapozásnál -- gondosan tervezzük meg a lehetô legegyszerûbbre és leggyorsabbra. A laptáblákat és a leírótáblákat a bôvíthetôség érdekében vegyük nagyobbra a szükségesnél. A használatlan elemeket mindig töltsük ki valamilyen nyomonkövethetô jelzéssel, hogy ha hibát okoz, biztosan tudjuk, hol és miért. Védett módú debugger hiányában ez nagyon hasznos lehet. A nem használt interrupt vektorokat is minden esetben irányítsuk át egy hibakezelô rutinra a könnyebb hibakeresés érdekében. A hibakezelô térjen vissza valós módba, majd -- szöveges képernyô beállítása után -- írja ki az interrupt sorszámát, a regisztereket, esetleg a stack tetejének néhány duplaszavát is. Ne használjunk DOS által relokált távoli ugrásokat és szegmenscímeket. Mindig hozzunk létre helyettük pointereket adat- vagy kódszegmensen. A DOS-szal való ütközés elkerülésére csak az alsó 640 Kbyte szabadon maradó részeit és az extended memória 1088 Kbyte feletti részét használjuk programjainkban. Ne hagyjunk bent XMS-t használó memóriarezidens segédprogramokat (például Norton Cache) futtatáskor, mivel tárterületeik felülírása katasztrofális következményekkel járhat. Ez ellen védekezhetünk a szabad extended memória XMM-tôl (ez általában a HIMEM.SYS) való lekérdezésével. Valós módba való rövid visszatéréseknél mindig tartsuk szem elôtt, hogy az átprogramozott hardver interruptok valós módban is bekövetkezhetnek. Védett módban a kódszegmensek sohasem írhatók, így írni kívánt változókat mindig adatszegmensre tegyünk. A szegmensregisztereket mindig töltsük fel érvényes szelektorral, vagy ha nem használtak, nullával. A szegmensek határait (utolsó használt byte címe) mindig pontosan adjuk meg a túlcímzések felderítésére. A szegmensek adatterületei jó ha a lapozáshoz illeszkedve laphatáron kezdôdnek (4096-tal osztható lineáris címek). Minden kódszegmensben a leírótáblával megegyezôen adjuk meg az adathossz alapbeállítását a USE16 vagy USE32 kulcsszóval a kódszegmens definíciójának végén. Figyeljünk a lapozható memóriák (video, hardver EMS) linearizálásánál a laphatárokon fellépô hibalehetôségre. Ha WORD vagy DWORD címzôdik laphatáron átlógó résszel, a lapozó hívása végtelen hurokba szalad. E hiba elkerülhetô egy lap (4096 byte) hozzáfûzésével. A módszer idôveszteséget és plusz lapozást igényel, így figyeljünk az ilyen címzések elkerülésére. A beiktatott 4096 byte-os lapot csak akkor kell visszaírni, ha a laptáblában az adott laphoz tartozó Dirty bit értéke 1 lett. Kellemes kísérletezést! @KFerenczi Viktor@N @<9410\386_3_1.GIF>A kontroll és EFLAGS regiszterek felépítése@N @<9410\386_3_2.GIF>A TSS felépítése@N