Обработка программных и аппаратных прерываний в IBM PC совместимых компьютерах с помощью резидентных программ
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Федеральное
государственное бюджетное образовательное
учреждение
высшего профессионального образования
«Московский
авиационный институт (национальный исследовательский университет)»
филиал
«Восход»
Кафедра ВТ
Курсовой
проект
на тему: «Обработка
программных и аппаратных прерываний в IBM
PC совместимых
компьютерах с помощью резидентных программ»
по
дисциплине: Ассемблер
Студента гр. ВВМ5-58
Свитавской А.А.
Байконур
2012 г
Содержание
Введение
. Принципы и алгоритмы
обработки прерываний
. Разработка структуры
резидентной программы
. Разработка алгоритма
резидентной программы
. Реализация резидентной
программы на языке Ассемблер
. Тестирование и отладка
резидентной программы
Заключение
Список используемой литературы
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Введение
В данном курсовом проекте необходимо разработать
программу, изменяющую состояние управляющих клавиш: Caps
Lock, Scroll
Lock и Num
Lock. При разработке программы
использовалось несколько прерываний. Вход и выход из резидентной части
осуществляется нажатием определенной комбинации клавиш. Резидентная программа
защищена от повторной загрузки. Изменение состояния управляющих клавиш
осуществляется в резидентной программе.
В первом разделе рассматриваются общие принципы
и алгоритмы обработки прерываний.
Во втором разделе разрабатывается структура
резидентной программы.
В третьем разделе разрабатывается алгоритм
работы резидентной программы.
В четвертом разделе реализуется резидентная
программа, написанная на языке Ассемблер.
В пятом разделе приводится методы тестирования и
отладки резидентной программы.
1. Принципы и алгоритмы обработки
прерываний
Прерывания - некий процесс, который возникает в
системе, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с
последующим возобновлением выполнения прерванной.
Прерывания делятся на внешние и внутренние. К
внутренним относятся программные и от схем контроля. Программные вызываются
командой int и используются
для передачи управления из прикладных программ в операционную систему.
Прерывания от схем контроля возникают в случаях, когда невозможна корректная
работа процессора (прерывания по резервной инструкции, прерывания по нарушению
защиты памяти или вида доступа к памяти). Внешние прерывания возникают по
требованию внешних устройств, когда им необходимо обслуживание.
К аппаратным прерываниям относятся:
) Выводы микропроцессора:
intr - вывод для
входящего сигнала внешнего прерывания;
inta - вывод
микропроцессора для выходного сигнала, подтверждение в получении сигнала
прерывания микропроцессором;
nmi - вывод
микропроцессора для входного сигнала, не маскируемого прерывания;
) микросхема программируемого
контроллера;
) внешние устройства;
К программным средствам относятся:
) таблица векторов прерываний, в этой
таблице содержатся указатели на процедуры обработки соответствующих прерываний
) флаги в регистре флагов
IF (Interrupt Flag) - флаг
прерывания.
Предназначен
для маскирования (запрещения) аппаратных прерываний, то есть прерываний по
входу INTR. Если IF=1,
микропроцессор обрабатывает внешний прерывания, если IF=0,
микропроцессор игнорирует сигналы на входе INTR.
TF (Trace
Flag) - флаг
трассировки. Единичное состояние флага переводит микропроцессор в режим
покомандной обработки.
) машинные команды микропроцессора (int,
into, iret,
cli, sli)
Обработка прерываний (как внешних, так и
внутренних) в реальном режиме микропроцессора производится в три этапа:
. Прекращение выполнения текущей
программы.
. Переход к выполнению и выполнение
программы обработки прерываний.
. Возврат управления прерванной
программе.
Первый этап должен обеспечить временное
прекращение выполнения текущей программы таким образом, чтобы потом прерванная
программа продолжила свою работу так, как будто никакого прерывания не было.
Любая программа, загруженная для выполнения операционной системой, занимает
свое, отдельное от других программ, место в оперативной памяти. Разделяемыми
между программами ресурсами являются регистры микропроцессора, в том числе
регистр флагов, поэтому их содержимое нужно сохранять. Обязательными для
сохранения являются регистры cs,
ip и flags\eflags,
поэтому они, при возникновение прерывания, сохраняются микропроцессором
автоматически. Пара cs:ip
содержит адрес команды, с которой необходимо начать выполнение после возврата
из программы обслуживания прерывания, a
flags\eflags
- состояние флагов после выполнения последней команды прерванной программы в
момент передачи управления программе обработки прерывания. Сохранение
содержимого остальных регистров должно обеспечиваться программистом в начале
программы обработки прерывания до их использования. Наиболее удобным местом
хранения регистров является стек. В конце первого этапа микропроцессор после
включения в стек регистров Hags,
cs и ip
сбрасывает бит флага прерываний IF
в регистре flags (но при
этом в стек записывается предыдущее содержимое регистра flags
с еще установленным IF).
Тем самым предотвращаются возможность возникновения вложенных прерываний по
входу INTR и порча
регистров исходной программы вследствие неконтролируемых действий со стороны
программы обработки вложенного прерывания. После того как необходимые действия
по сохранению контекста завершены, обработчик аппаратного прерывания может
разрешить вложенные прерывания командой sti.
Набор действий по реализации второго этапа
заключается в определении источника прерывания и вызова соответствующей
программы обработки. В реальном режиме микропроцессора допускается от 0 до 255
источников прерываний. Количество источников прерываний ограничено размером
таблицы векторов прерываний. Эта таблица выступает связующим звеном между
источником прерывания и процедурной обработки. Данная таблица располагается в
памяти, начиная с адреса 0. Каждый элемент таблицы векторов прерываний занимает
4 байта и имеет следующую структуру: 1-е слово элемента таблицы - значение
смещения начала процедуры обработки прерывания (п) от начала кодового
сегмента; 2-е слово элемента таблицы - значение базового адреса сегмента, в
котором находится процедура обработки прерывания.
Рассмотрим, для примера, работу обработчика
аппаратного прерывания 09Н - прерывание клавиатуры.
Программа обработки прерывания от клавиатуры
работает с контроллером клавиатуры, в функции которого входят распознавание
нажатой клавиши и запись закрепленного за ней скэн-кода в свой регистр выхода.
Программа обработки читает скэн-код нажатой клавиши из порта 60h
и проводит его значения. Если это не клавиша управления, то прерывание 09h
по таблице трансляции скэн-кода и кодов ASCII
формирует двухбайтовый код, при этом скэн-код - в старшем, a
ASCII - в младшем. При
этом ASCII-код
определяет закрепленный символ. Так как за каждой клавишей закреплено не менее
двух символов, то каждому скэн-коду соответствует не менее двух ASCII-кодов.
Для более точного определения требуется анализ прерыванием INT
09h состояния флагов,
установленных ранее па основании информации из контроллера клавиатуры.
Прерывание INT 09h,
сформировав двухбайтовый код, помещает его в кольцевой буфер клавиатуры по
адресу, находящемуся в хвостовом указателе этого буфера.
2. Разработка структуры резидентной
программы
прерывание резидентный программа
ассемблер
При разработке резидентной программы необходимо
решить несколько связанных инженерных задач.
Резидентная программа обычно состоит из двух
связанных частей - нерезидентной части и резидентной части.
Нерезидентная часть получает управление при
запуске программы, при необходимости - анализирует параметры запуска и
настраивает резидентную часть на конкретные условия работы, выполняет перехват
и настройку необходимых векторов прерываний, и обычно с помощью системной
функции 31h прерывания 21h оставляет резидентную часть в памяти, возвращая
управление операционной системе.
Резидентная часть отвечает за реализацию
полезного функционала резидентной программы. Для разрабатываемой программы это
управление индикаторами клавиатуры Num Lock, Caps Lock, Scroll Lock. Поскольку
управление индикаторами в соответствии с заданием требуется делать с клавиатуры
ПК, то резидентная часть должна содержать обработчик прерывания клавиатуры 09h.
В соответствии с заданием требуется реализовать
защиту от повторной загрузки резидентной программы. Это можно реализовать с
помощью использование специального прерывания - 2Fh - называемого также
мультиплексным, специально предназначенного для организации взаимодействия с
резидентными программами. Проверка нахождения в памяти резидентной части
осуществляется по схеме "запрос-отклик": нерезидентная часть
заполняет регистр AX (в регистр AH помещается номер функции, причем номера
00h-0BFh зарезервированы для MS DOS, а номера 0C0h-0FFh предоставляются для
прикладных программ; в регистр AL помещается номер подфункции) и вызывает
прерывание 2Fh. Если резидентная часть уже установлена и ее повторная установка
не требуется, необходимо вернуть в регистре AL сигнальное значение 0FFh. Таким
образом, резидентная часть должна в своем составе иметь также обработчик
прерывания 2Fh, а нерезидентная часть должна для проверки наличия резидентной
программы в памяти вызывать это прерывание и анализировать результат.
Кроме этого, для реализации требования о
включении и выключении резидентной программы, наиболее целесообразным является
введение в области данных резидентной части программы специального байт-маркера
"активности" резидентной части. При "неактивном" состоянии
программы она не оказывает никакого влияния на работу компьютера, а при
"активном" состоянии выполняет заданный функционал.
Поскольку резидентная программа должна занимать
минимум памяти, выбрано решение, при котором программа компилируется в COM
файл.
Общая структура программы приведена на рисунке.
. Разработка алгоритма резидентной
программы
При запуске программы управление передается
нерезидентной части программы. Нерезидентная часть выполняет инициализацию
программы следующим образом:
. Проверяет, не установлена ли уже резидентная
программа, помещая в регистр AX "магическое значение" 0CDBAh (функция
0CDh, подфункция 0BAh), выполняя программное прерывание 2Fh и проверяя возврат
- если программа уже установлена, в регистре AL при возврате из прерывания
должно оказаться сигнальное значение 0FFh;
. Если программа уже установлена, то
производится вывод сообщения "Программа уже установлена!" и
немедленное завершение программы без оставления резидентной части в памяти;
3. Если программа еще не установлена (значение в
регистре AL отличается от 0FFh), производится перехват используемых векторов
прерываний 09h и 2Fh с сохранением "старых" значений этих векторов в
области данных резидентной части программы;
4. Производится вывод сообщения об успешной
установке резидентной части и резидентное завершение программы вызовом функции
31h системного прерывания 21h. Для того, чтобы резидентная часть программы
занимала в памяти как можно меньше места, производится вычисление минимального
необходимого объема памяти, занимаемого только резидентной частью. Память,
занимаемая нерезидентной частью (инициализирующий код), для работы резидентной
части не нужна и возвращается системе.
Резидентная часть программы получает управление
посредством программных или аппаратных прерываний. Используются два прерывания
- 09h и 2Fh.
Обработчик мультиплексного прерывания 2Fh
резидентной части программы выполняет следующие действия:
. Проверяет значение в регистре AX на
соответствие значению 0CDBAh. Если значение совпало, это свидетельствует о том,
что выполнен еще один запуск программы, и инициализирующая часть проверяет, не
установлена ли уже резидентная программа. В этом случае следует в регистр AL
записать сигнальное значение 0FFh и немедленно завершить обработку прерывания и
вернуть управление вызывающей программе. В противном случае, следует передать
управление дальше "по цепочке", используя сохраненный обработчик
этого прерывания.
Обработчик прерывания 09h (клавиатуры) получает
управление при каждом нажатии клавиши на клавиатуре. Особенностью этого
обработчика является то, что он получает управление дважды: первый раз при
нажатии клавиши, второй раз - при отпускании клавиши. Для правильной обработки
нажатий клавиш в программе организован специальный байт-маркер -
"флажок", который "взводится" при нажатии клавиши и
"сбрасывается" при отпускании клавиши. Состояние этого флажка
позволяет различить нажатия и отпускания клавиш. Обработчик прерывания 09h
выполняет следующие действия:
. Проверяет состояние "активности"
резидентной части. Если резидентная часть не активна (выключена), управление
передается сохраненному обработчику прерывания 09h для "обычной"
обработки нажатий клавиатуры.
. Если резидентная часть "активна",
производится проверка - нажата клавиша или отпущена. Если клавиша нажата, производится
сдвиг горящей лампочки клавиатуры на 1 (по кольцу) и установка состояния
лампочек. Сдвиг лампочки и установка состояния лампочек организованы как
отдельные подпрограммы (процедуры).
. Затем управление передается сохраненному
обработчику прерывания 09h клавиатуры - это позволяет всем прикладным
программам нормально получать и обрабатывать нажатия клавиш. Вызов прерывания
эмулируется последовательностью инструкций pushf и call.
. В конце обработчика анализируется факт
одновременного нажатия "горячих клавиш" Left Ctrl + Left Shift и
включается или отключается "активность" резидентной части программы.
При неактивной (выключенной) резидентной части она не оказывает влияния на
работу компьютера.
4. Реализация резидентной программы
на языке Ассемблер
Проверка активности резидента, нажатия клавиши:
mov AL, activeAL,
ALinactive_continueAL, pressedAL, ALshort key_downpressed, 0short
inactive_continue
Если клавиша нажата:
key_down:
call shift_lightset_light
mov pressed, 1
Сдвиг и установка лампочки:
shift_light proc nearAL, lightAL,
1AL, 70hnot_shiftedAL, 40h
_shifted:light, AL_light endp
_light proc nearAX, AXES, AXAL,
ES:[0417h]AL, 8FhAL, lightES:[0417h], AL_light endp
Чтение состояния клавиатуры и проверка нажатия
“горячих клавиш”, приостанавливающих резидента:
mov AL, byte ptr ES:[0417h]AL, 6hAL,
6hnotPressedAL, activeAL, 1 active,
AL
5. Тестирование и отладка
резидентной программы
В приложении Д приведён скриншот результата
выполнения программы. Из приведённого скриншота видно, что программа сообщает о
своём запуске, опознаёт и сообщает, что программа уже загружена резидентно и
переключает состояние клавиш Caps
Lock, Num
Lock и Scroll
Lock при нажатии на
клавишу.
Заключение
В данном курсовом проекте была разработана
программа, изменяющая состояние управляющих клавиш: Caps
Lock, Scroll
Lock и Num
Lock. Программа может
использовать клавиатуру по-разному. Она может задержать своё выполнение, до тех
пор, пока оператор не нажмёт какую-нибудь клавишу.
Список используемой литературы:
1. Финогенов К.Г. Самоучитель по
системным функциям MS DOS. - М.: Радио и связь, Энтроп, 1995. - 382 с., ил.
. Зубков С.В. Assembler. Язык
неограниченных возможностей. - М.: ДМК Пресс, 1999. - 608 с., ил.
. Пирогов В.Ю. Assembler. Учебный
курс. - М.: Издатель Молгачева С.В., Издательство Нолидж, 2001. - 848 с., ил.
Приложение А
(обязательное)
Приложение Б
(обязательное)
Приложение В
(обязательное)
Приложение Г
(обязательное)
model tinysegment ;
определение кодового сегментаCS:code, DS:code ; CS и DS указывают на сегмент
кода100h
; резидентная часть программы
:init ; переход на секцию
инициализации
; данные резидентной части
программы:F dd ? ; сохраненный обработчик
2Fhdd ? ; сохраненный обработчик 09h db 0
; флаг активности резидента
; int 09h получает управление
дважды: при нажатии и при отжатии клавиши. Чтобы срабатывало при нажании,
; используется флаг:db 0 ;
клавиша нажата/отпущена (0 - нажата, 1 - отпущена)
; лампочки контролируются битами
4,5,6 байта [0040h:0017h]
; бит
5 (00100000b) - NumLock
; бит
6 (01000000b) - CapsLock
; бит
4 (00010000b) - SrollLockdb 20h ; маска лампочек
(00100000b) - NumLock On
; обработчик прерывания клавиатуры
09hHandler:ESAXAL, active ; проверяем активность нашего резидентаAL,
ALinactive_continue ; неактивен? ничего не делаемAL, pressed ; нажата клавиша
или отпущена?
or AL,
ALshort key_down ; если нажата
- переходpressed,
0 ; отпущена
- сбросить флажокshort
inactive_continue
key_down: ; при нажатии
клавиши:shift_light ; сдвинуть лампочкуset_light ; и установить ееpressed, 1 ;
и поставить флажок нажатия
inactive_continue: dword
ptr CS:old09 ; перейти на сохраненный обработчикAX,
AXES, AXAL, byte ptr ES:[0417h]
and AL, 6h ; проверяем одновременное
нажатие клавиш (вкл/выкл резидента)
cmp AL, 6h ;
110b - биты
1 и
2 - Ctrl + Left Shift
jne notPressedAL, activeAL, 1 ;
переключаем состояние резидента (активен/неактивен)
mov active,
AL
:AX ES
iret
; обработчик мультиплексного
прерывания 2FhFHandler:AX, 0CDBAh ; сравнить с магическим значениемnextRetryAL,
0FFh ; совпадает - занести в AL сигнал 0FFh; и сразу возврат из прерывания
: CS:old2F ; перейти на
сохраненный обработчик
; процедура сдвига горящей лампочки
на 1
; код лампочки в
light_light proc nearAL, lightAL, 1 ; shift to right AL, 70h ; выделяем
биты лампочек - 01110000bnot_shifted ; если какая-то лампочка
горит - переход
mov AL, 40h
; иначе установить
01000000b-CapsLock On
; процедура установки горящей
лампочки
; код лампочки хранится в light
set_light
proc nearAX, AXES, AXAL, ES:[0417h]
and AL, 8Fh ; очищаем биты лампочек,
сохраняем остальные битыAL, light ; ставим маску горящих лампочек
mov
ES:[0417h], AL_light endp
end_resident: ; метка для
определения размера резидентной части программы
;
================================================================================
; транзитная часть программы
:
; 1. проверка установленной
программы
AX, 0CDBAh ; магическое значение2Fh
; вызов мультиплексного прерыванияAL, 0FFhinstalled ; уже установлена - на
выход
; 2. установка программы:
; перехват вектора 09h
AX, 3509h ; получение адреса старого
обработчика
Приложение Г
(обязательное)21hword ptr old09, BX
; сохранение смещения обработчикаword ptr old09 + 2, ES ; сохранение сегмента
обработчикаAX, 2509h ; установка адреса нашего обработчикаDX, offset
int09Handler ; указание смещения нашего обработчика21h
; перехват вектора 2Fh
AX, 352Fh ; получение адреса старого
обработчика21hword ptr old2F, BX ; сохранение смещения обработчикаword ptr
old2F + 2, ES ; сохранение сегмента обработчикаAX, 252Fh ; установка адреса
нашего обработчикаDX, offset int2FHandler ; указание смещения нашего
обработчика
int 21h
; включить лампочку
NumLock
set_light
mov AH, 09h
; вывод на экран успешного сообщения
mov DX,
offset DoneResident
int
21h
; установка
резидентом
AX, 3100h ; функция DOS завершения
резидентной программыDX, (end_resident - start + 10Fh) / 16 ; определение
размера резидентной части программы в параграфах21h
:AH, 09h ;
вывод на экран ругательного сообщения
mov DX,
offset JustInstalledMsg21h
mov AX, 4C01h ; завершить
нерезидентно21h
JustInstalledMsg
db 'Programma uzhe ustanovlena!', 13, 10, '$'db 'Programma ostalas
rezidentno.', 13, 10, '$'
code ends ; конец кодового
сегментаstart ; конец программы
Приложение Д
(обязательное)
