Int 09h, Int 16h — поддержка клавиатуры

 

Поддержка клавиатуры заключается в обработке прерываний от устройства ввода и предоставлении сервисов ввода прикладным программам.

Прерывания, вызванные приходом кодов нажатия и отпускания клавиш, обрабатывает BIOS Int 9h. Каждый принятый скан-код (или цепочка) обрабатывается с учетом состояния клавиатурных флагов. Результат обработки (как правило, ASCII-символ в младшем байте и скан-код в старшем) помещается в клавиатурный буфер, расположенный в ОЗУ. По приему каждого символа указатель головы буфера увеличивается. Буфер организован в виде кольца, после достижения конца области буфера указатель головы установится на начало области. В случае переполнения буфера (указатель головы «догнал» указатель хвоста) очередное слово не записывается, и подается звуковой сигнал. Размер позволяет хранить описание шестнадцати фактов нажатий клавиш. Нажатие клавиш Ctrl, Shift, Alt и некоторых комбинаций в буфере не отмечается, но приводит к модификации бит ячеек флагов клавиатуры. Нажатие «системной» комбинации Ctrl+Alt+Del, клавиши PrintScreen (SysRq) и некоторых других к записи в клавиатурный буфер не приводит, а вызывает специальные процедуры.

Для обслуживания клавиатуры используются ячейки ОЗУ из области данных BIOS (BIOS Data Area):

♦ 0:0417, 0:418 — флаги клавиатуры;

♦ 0:0419 — аккумулятор кода Alt-набора;

♦ 0:041А — указатель головы буфера (Buffer Head), 2 байта (модифицируется при помещении символа в буфер);

♦ 0:041C — указатель хвоста буфера (Buffer Tail), 2 байта (модифицируется при извлечении символа из буфера);

♦ 0:041E-0:042D — область кольцевого буфера (16 слов).

Обработчик аппаратного прерывания до обработки принятого скан-кода вызывает прерывание BIOS Int 15h с AH=4Fh, а в AL находится принятый скан-код. Стандартный обработчик Int 15h(4Fh) просто выполняет возврат с CF=0, но его можно заменить специальным обработчиком, который будет при необходимости подменять принятые скан-коды на какие-либо иные (оставляя их в AL), что должно отмечаться установкой CF=1. В старых версиях BIOS такой возможности перехвата не было, ее наличие можно определить вызовом Int 15h(C0h).

Для клавиатуры USB или иного устройства ввода, заменяющего клавиатуру в качестве консоли, прерывание Int 9h должно вызываться программно при обработке каждого клавиатурного события. Обработчик этого прерывания должен выполнять те же действия: скан-код пропускать через Int 15h(4Fh) и помещать в клавиатурный буфер, а также модифицировать флаги клавиатуры.

Интерфейс прикладного уровня для клавиатуры представляет BIOS Int 16h. Его основное назначение — извлечение слов из клавиатурного буфера. Функция задается в регистре АН при вызове, результат помещается в регистр АХ.

♦ АН = 00h — чтение (с ожиданием готовности) и выборка слова из буфера (меняется указатель хвоста). Индикаторы клавиатуры обновляются в соответствии с состоянием флагов. Если буфер пуст, то на AT выполняется прерывание Int 15h (подфункция 90), что может использоваться ОС, например, для переключения задач. Чтобы программа не «зависала» на ожидании символа, предварительно стоит проверить готовность функцией 01h. Символы расширенной клавиатуры фильтруются — преобразуются в их аналоги 83-клавишной клавиатуры.

♦ АН = 01h — проверка готовности, чтение без выборки (указатели не изменяются). Признак наличия символа в буфере — установленный флаг ZF.

♦ АН = 02h — чтение состояния флагов (в AL — байт 0:417h, см. выше).

♦ АН = 03h — установка задержки и частоты автоповтора: BL — код задержки (00=250, 01=500, 02=750, 03=1000 мс), ВН — код частоты (см. п. 9.2.1).

♦ АН = 05h — запись слова из регистра СХ в буфер (меняется указатель головы). Признак успешной записи — AL=0, если в буфере нет места, то AL=1.

♦ АН = 10h и AH = 11h — функции, аналогичные 00h и 01h, но предназначены специально для 101/102-клавишных клавиатур — в них не выполняется фильтрация символов расширенной клавиатуры. Для ряда клавиш, отсутствующих в клавиатуре АТ-84, эти функции дадут результаты, отличающиеся от вызовов 00h и 01h.

♦ AH=12h — чтение расширенного состояния флагов (в АХ — слово KbdShiftFlags101Rec), в котором младший байт совпадает с тем, что дает функция 02h (слово из 0:417h), а старший байт похож на слово из 0:418h. Назначение бит АХ:

• бит 0 — клавиша Shift (правая) нажата;

• бит 1 — клавиша Shift (левая) нажата;

• бит 2 — клавиша Ctrl (любая) нажата;

• бит 3 — клавиша Alt (любая) нажата;

• бит 4 — включен индикатор Scroll Lock;

• бит 5 — включен индикатор Num Lock;

• бит 6 — включен индикатор Caps Lock;

• бит 7 — включен режим Insert;

• бит 8 — клавиша Ctrl (левая) нажата;

• бит 9 — клавиша Alt (левая) нажата;

• бит 10 — клавиша Ctrl (правая) нажата;

• бит 11 — клавиша Alt (правая) нажата;

• бит 12 — клавиша Scroll Lock нажата;

• бит 13 — клавиша Num Lock нажата;

• бит 14 — клавиша Caps Lock нажата;

• бит 15 — клавиша SysReq нажата.

Функции чтения буфера (00 и 10h) в регистре AL возвращают ASCII-код символа, в АН — скан-код. Символы, полученные нестандартным способом (в русском регистре или Alt-набором), сопровождаются нулевым скан-кодом. Alt-набор позволяет ввести в буфер любой символ — для этого его код в десятичной системе набирается на цифровой клавиатуре при нажатой клавише Alt, результат заносится в буфер при отпускании клавиши Alt.

При AL=0 регистр АН содержит расширенный ASCII-код (Extended ASCII Keystroke). Дополнительные клавиши 101/102 клавиатур при использовании функций 10h-12h генерируют код E0h в младшем байте и скан-код, соответствующий аналогичным управляющим клавишам 83/84-клавишных клавиатур.

Функция записи (05h), несколько неожиданная для клавиатуры, позволяет легко имитировать работу оператора для различных демонстрационных программ. Если прикладная программа не перехватывает обслуживание клавиатуры на уровне аппаратного прерывания (Int 9h), то резидентная программа может ей «подбрасывать» слова в буфер, которые будут восприниматься как нажатие клавиш.

ASCII-коды буфера, соответствующие нажатию клавиш, приведены в [1, 7]. При русификации (или другой локализации) клавиатуры отслеживание переключения регистров (языков) ложится на обработчик аппаратного прерывания клавиатуры.

 

Int 10h — видеосервис

 

Int 10h — видеосервис — предназначен для работы с графическим адаптером. Его первичной задачей является управление видеорежимом (BIOS Video Mode), определяющим формат экрана. BIOS адаптера должна выполнять программирование всех стандартных и специфических управляющих регистров для установки (смены) требуемого видеорежима и выбранных параметров развертки — кроме нее о способах этих переключений остальное ПО может и не знать.

В пределах возможностей установленного видеорежима видеосервис предоставляет возможности отображения информации на различных уровнях. Простейший для программиста телетайпный режим позволяет посылать поток символов, которые будут построчно отображаться на экране с отработкой символов возврата каретки, перевода строки, обеспечивая «прокрутку» изображения при заполнении экрана. Есть функции и для полноэкранной работы с текстом, при которой доступны и атрибуты символа. В графическом режиме имеется возможность чтения и записи пиксела с указанными координатами. Однако видеосервисом Int 10h программисты пользуются далеко не всегда, поскольку работает он довольно медленно. Подробно рассматривать функции видеосервиса не будем (этому посвящены отдельные книги), отметим особо лишь функцию телетайпного вывода Int 10h(0Eh). При вызове AH=0Eh, в AL — код выводимого символа, в BL — цвет (только для графического режима). Символ выводится в текущую позицию курсора, и курсор сдвигается на следующую, переходя на новую строку после конца предыдущей и прокручивая экран при его заполнении. Специальные символы вызывают возврат на начало строки (CR, код 0Dh), перевод строки (LF, 0Ah) и короткий гудок (BEL, 07h). Этой функцией часто пользуются для вывода сообщений программами, работающими на нижнем уровне (например, модули инициализации ПЗУ расширений BIOS, загрузчики и другие, не имеющие еще доступа к сервисам операционных систем). Программа вывода получается простейшей, работает на всех адаптерах и во всех режимах, но довольно медленно.

 

Int 13h — поддержка дисков

 

Функции дискового сервиса вызываются программным прерыванием Int 13h.

Традиционно дисковый сервис подразделяет физические диски на дискеты (diskette) и фиксированные диски (fixed disk). Набор функций (табл. 7.8) для этих классов устройств несколько различается как по составу, так и по реализации. Классы различаются по диапазонам номеров физических устройств: для дискет отводятся номера 0-7Fh (реально только 0–3), а для фиксированных дисков — 80h-FFh.

Контроллеры дисковых интерфейсов, имеющие в своем составе дополнительные модули BIOS, перехватывают вектор Int 13h, беря на себя обслуживание своих устройств. Когда в IBM PC/XT появились жесткие диски со своим контроллером, модуль BIOS этого контроллера, инициализирующийся во время теста POST, вставал на место Int 13h, а указатель на исходный обработчик дискового сервиса (драйвер НГМД из системной BIOS) сохранялся на месте Int 40h. Хотя поддержка жестких дисков давно уже включена в системную BIOS, ради совместимости возможность использования прерывания Int 40h для вызова драйвера гибких дисков сохраняется. Интерфейс этого вызова совпадает с Int 13h, но номер устройства (в регистре DL) не должен превышать 7Fh.

Кроме функций дискового сервиса (Int 13h) c дисковыми устройствами связаны еще и векторы, обслуживающие аппаратные прерывания от контроллера НГМД — Int 0Eh (линия IRQ 6) и от контроллера жестких дисков — Int 76h (линия IRQ 14). При наличии двухканального порта ATA второй канал обычно задействует линию IRQ 15 (вектор 77h). В XT контроллер жестких дисков занимал линию IRQ 5 (вектор 0Dh). Дополнительные контроллеры дисков могут использовать и другие прерывания. Аппаратные прерывания вырабатываются контроллерами по завершении (нормальному и аварийному) внутренних операций. На эти прерывания BIOS не реагирует, а при инициализации их векторы направляются на программную заглушку (инструкцию IRET).

Стандартные драйверы дисковых функций BIOS (включая и расширенный сервис) имеют однозадачное происхождение. Во время выполнения функции значительное процессорное время может затрачиваться на ожидание завершения операции устройством. Драйверы многозадачного режима построены иначе: у них есть вызывающая часть, инициализирующая начало операции, и обработчик аппаратного прерывания от контроллера, сообщающий операционной системе о выполнении операции и результате.

 

Традиционный сервис BIOS

 

Традиционный дисковый сервис работает в 16-разрядном режиме процессора, все параметры вызова передаются через регистры процессора. Адрес сектора задается в системе CHS и размещен весьма специфично. Сервис вызывается программным прерыванием Int 13h, при вызове принимаются следующие соглашения:

♦ номер функции задается в регистре АН и не должен превышать 3Fh;

♦ логический номер диска задается в регистре DL (бит 7 = 0 — признак обращения к НГМД);

♦ номер цилиндра (0-1023) задается в регистре СН (младшие 8 бит) и CL[7:6] (старшие 2 бита);

♦ номер головки (0-255) задается в регистре DH;

♦ номер начального сектора (1-63) задается в регистре CL[5:0];

♦ количество секторов, участвующих в операции, 8 бит — в регистре AL (0-255);

♦ указатель на начало буфера оперативной памяти для считываемых и записываемых данных (address of buffer) — в регистрах ЕS:BX;

♦ результат выполнения операции определяется по флагу переноса: СF = 0 — успешное выполнение операции, CF = 1 — обнаружены ошибки (код состояния возвращается в регистре АН, код завершения последней операции с дискетами хранится по адресу 40:41h, с жесткими дисками — 40:74h);

♦ таблица параметров диска для дискет (DPT) задана указателем в памяти по адресу 0:78h, для жестких дисков (HDPT) — 0:104h или 0:118h.

Список функций традиционного сервиса приведен в табл. 12.7, подробнее они описаны в [4, 9]. Устройства могут не поддерживать некоторые функции, о чем драйверы должны «честно сообщить» кодом возврата 01h.

 

Таблица 12.7. Функции традиционного дискового сервиса

 

 

Номер функции АН	Назначение параметров	Использование регистров указателей и таблиц
DL
DH, CL, CH	AL	ES: BX	DPT/HDPT
00h	Reset Disk System — сброс дисковой системы (всех контроллеров и устройств), позиционирование на нулевой цилиндр	-	-	-	-	-
01h	Read Status of Last Operation — чтение состояния последней операции	+	-	-	-	-
02h	Read Sectors into Memory — чтение секторов с диска в память	+	+	+	+	+
03h	Write Sectors from Memory — запись секторов из памяти на диск		+	+	+	+
04h	Verify Sectors — верификация секторов (холостое чтение без записи в память и проверка CRC/ECC)	+	+	+	-	+
05h	Format Desired Track — форматирование трека	+	+	+	+	+
08h	Get Drive Parameters — получение параметров диска	+³	+³	+³	-	+³
09h¹	Initialize Drive Parameters — инициализация таблиц параметров диска	+	-	-	-	+
0Ah¹	Read Long — «длинное» чтение (сектор и поле ЕСС)	+	+	+	+	+
0Bh¹	Write Long — «длинная» запись (сектор и поле ЕСС)	+	+	+	+	+
0Ch¹	Seek — поиск цилиндра	+	+	-	-	-
0Dh¹	Alternative Disk Reset — альтернативный сброс (не затрагивая контроллера дискет)	+	-	-	-	-
10h¹	Test Drive Ready — проверка готовности	+	-	-	-	-
11h¹	Recalibrate — рекалибровка (позиционирование на нулевой цилиндр)	+	-	-	-	-
14h¹	Controller Internal Diagnostics — диагностика контроллера жестких дисков	-	-	-	-	-
15h	Read DASD Туре — получение типа диска: АН=0 — нет диска; АН=1 — дискета, без датчика смены диска; АН=2 — дискета, с датчиком смены диска; АН=3 — жесткий диск; иные значения — код ошибки. CX: DX содержат число 512-байтных секторов на диске	+	-	-	-	-
16h²	Diskette Change Line Status — проверка статуса смены дискеты: CF=0: АН=0 — смены носителя не было; CF=1: AH=1 — недопустимый номер диска; АН=6 — была смена диска или определение смены не поддерживается; AH=80h — дисковод не готов или не установлен; иные значения — код ошибки	+	-	-	-	-
17h²	Set Diskette Type for Format — установка типа дискеты для форматирования (перед форматированием)	+		+³
18h²	Set Media Type for Format — установка типа носителя (для форматирования)	+	+³	-	-	-
20h²	Get Media Type — получение типа установленного носителя	+	-	-	-	-
24h¹	Set Multiple Mode — установка параметров режима многосекторного обращения (в AL — число секторов за операцию)	+	-	+	-	-
25h¹	Identify Drive ATA — идентификация накопителя (только для ATA-дисков)	+	-	-	+	-

¹ Только для фиксированных дисков.

² Только для дискет и других сменных носителей.

³ Назначение отличается от обычного.

 

Формально традиционный сервис позволяет работать с дисками, имеющими до 1024×256×63 = 16 515 072 секторов (около 8,4 Гбайт). Ряд операционных систем имеет ошибку, не позволяющую использовать полный объем, допустимый данным сервисом. Для дисков объемом более 15 481 935 секторов следует пользоваться только функциями расширенного сервиса (см. ниже). Однако при работе с устройствами ATA имеется еще и барьер в 528 Мбайт. Дело в том, что контроллер жесткого диска ATA, на который ориентированы драйверы Int 13h, имеет только 4-битный регистр номера головки (а в BIOS — 6 бит). Правда, этот же контроллер способен принимать 16-битный номер цилиндра (в BIOS — 10 бит). Понятно, что непосредственно без искажений через эти два фильтра (формат вызова и формат регистров контроллера) может пройти только вызов с самыми жесткими ограничениями по каждой координате. Тогда ограничение, полученное тем же перемножением диапазонов координат, получается около 528 миллионов байт:

(2¹⁰ = 1024 цилиндра) × (2⁴ = 16 головок) × (2⁶ – 1 = 63 сектора) × 512 байт = 528 482 304 байт.

Для преодоления 528-мегабайтного барьера дисков ATA, не трогая программного интерфейса, в BIOS ввели расширение традиционного дискового сервиса. Интерфейс ATA в трехмерной геометрии позволяет реализовать довольно большой (но уже не запредельный) объем диска:

(2¹⁶ = 65 536 цилиндров) × (2⁴ = 16 головок) × (2⁸ – 1 = 255 сектора) × 512 байт = 136,9 Гбайт.

Чтобы достичь хотя бы интерфейсного ограничения BIOS (8,4 Гбайт), стали применять трансляцию параметров вызова функций Int 13h, которые будем теперь называть логическими, в физические[6]параметры, передаваемые контроллерам ATA-дисков. В функции, которая сообщает параметры диска (функция 8), производится обратная трансляция, так что на стороне вызова программного интерфейса Int 13h присутствуют только логические параметры. Естественно, логический объем диска не может превышать физического: (С × H × S)_ЛОГ ≤ (С × H × S)_ФИЗ.

Подробнее о преодолении барьеров и способах трансляции (LBA, Large Disk, ECHS) см. в [1, 4, 9]

 

Расширенный сервис BIOS

 

Чтобы получить возможность работы через BIOS с дисками объема более 8,4 Гбайт, потребовалось ввести новые функции дискового сервиса.

Расширенный дисковый сервис BIOS, Enhanced Disk Drive Services (EDD), продвигаемый фирмой Phoenix Technologies LTD, реализуется многими разработчиками BIOS и устройств массовой памяти. Он позволяет работать с устройствами, имеющими объем до 2⁶⁴ секторов, эффективно используя архитектуру процессоров IA-32 и IA-64. Сервис оперирует линейным логическим адресом сектора (LBA). Вместо традиционных таблиц параметров дисков в нем используются новые, дающие исчерпывающую информацию об устройствах, их физической организации и интерфейсе. Устройства могут иметь сменные носители и сами быть съемными в процессе работы компьютера (например, подключенные к шине USB или IEEE 1394), так что понятие «сменяемость носителя» несколько размывается. Такие устройства должны поддерживать механизм уведомления о смене носителя и программное блокирование смены носителя. По прогнозам емкости данного интерфейса должно хватить на 15–20 лет.

Расширения BIOS Int 13h используют ОС Windows 95, Windows 98, Windows 2000. Правда, это использование ограничено лишь начальной загрузкой и процессом установки (FDISK, FORMAT), поскольку в регулярной работе применяются собственные 32-разрядные драйверы. Расширения BIOS Int 13h не используют DOS (все версии), Windows 3.1x, Windows NT, Novell NetWare, OS/2 Warp, Linux, Unix.

В настоящее время определены три набора функций:

♦ доступ к фиксированным дискам (fixed disk access subset) — функции 41-44h, 47h и 48h;

♦ блокировка и смена носителя (device locking and ejecting subset) — функции 41h, 45h, 46h, 48h и 49h;

♦ поддержка расширенных дисков (enhanced disk drive (EDD) support subset) — функции 41h и 48h.

Расширенный сервис, как и традиционный, вызывается программным прерыванием Int 13h с номерами функций свыше 3Fh (регистр АН); номер устройства (регистр DL) допустим в диапазоне 80h-FFh. Основные параметры вызова — начальный адрес блока, число секторов для передачи и адрес буфера — передаются через адресный пакет (device address packet). Формат пакета в сравнении с передачей параметров традиционного сервиса через регистры процессора довольно просторный.

Поскольку расширение BIOS может и отсутствовать, имеется функция проверки его наличия (номер 41h). Расширение может действовать избирательно (не для всех устройств), так что проверку надо производить для конкретного устройства, интересующего программу. Проверка дает номер версии расширения и карту поддерживаемых наборов функций. Функции расширенного чтения, записи, верификации и поиска (42h, 43h, 44h и 47h) по смыслу не отличаются от их аналогов из традиционного сервиса. Для работы со сменными носителями введены функции отпирания/запирания, извлечения и проверки факта смены носителя (45h, 46h и 49h). От идеологии традиционного сервиса сильно отличается функция получения параметров устройства (48h). Она возвращает в ОЗУ буфер с набором параметров и детальным описанием устройства, позволяющим ОС и приложениям работать с ним, минуя BIOS. Функция установка аппаратной конфигурации (4Eh) позволяет управлять режимом передачи (PIO, DMA), а также предварительной выборкой (поиском).

Для эмуляции дисков на загружаемых CD-ROM к сервисам BIOS Int 13h добавляется несколько новых функций:

♦ начать/завершить эмуляцию диска (4Ah/4Bh), начать эмуляцию диска и выполнить загрузку (4Ch);

♦ прочитать секторы загрузочного каталога (4Dh); функции 41-48h позволяют обращаться к любым логическим секторам CD-ROM (в режиме LBA с размером сектора 2048 байт), когда для данного привода включена эмуляция.

Подробнее расширенный сервис рассмотрен в [4].