20474 Информатика и управление в технических системах
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5 1. ФУНКЦИИ ОДНОПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ 8 1.1. Виртуальная машина пользователя прикладной программы 8 1.2. Виртуальные машины для запуска программ 11 1.3. Виртуальная машина прикладной программы 13 1.4. Структура аппаратных средств 15 2. ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР 18 2.1. Архитектура процессора i8086 18 2.2. Адресация памяти 21 2.3. Алгоритм работы процессора 24 2.4. Работа со стеком 26 2.5. Процедуры 28 2.6. Прерывания 31 2.6.1. Внешние аппаратные прерывания 31 2.6.2. Исключения 32 2.6.3. Программные прерывания 33 2.6.4. Алгоритм выполнения прерывания 34 3. ВЫПОЛНЕНИЕ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ В СРЕДЕ MS-DOS 38 3.1. Получение прикладной программы 38 3.2. Структура прикладной программы 41 3.2.1. Префикс программного сегмента 41 3.2.2. Программа типа com 45 3.2.3. Программа типа exe 47 3.3. Распределение памяти 50 3.4. Запуск прикладных программ 54 3.5. Резидентные программы 58 4.ФАЙЛОВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ 65 4.1. Файлы 65 4.2. Файловые системы 68 4.2.1. Структура файловой системы 68 4.2.2. Атрибуты файла 71 4.2.3. Размещение элементов файловой системы 72 4.2.4. Расположение информации о размещении файла 74 4.2.5. Объединение файловых систем 75 4.3. Операции над файлами 75 4.3.1. Создание и открытие файла 75 4.3.2. Операции чтения и записи 78 4.3.3. Закрытие и уничтожение файла 80 4.3.4. Пример программы 82 4.3.5. Другие операции 84
5. УПРАВЛЕНИЕ ПЕРИФЕРИЙНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ 86 5.1. Введение 86 5.2. Синхронный ввод-вывод 89 5.3. Асинхронный ввод-вывод с прерываниями 92 5.3.1. Контроллер прерываний 92 5.3.2. Алгоритм обработки прерываний 93 5.3.3. Пример драйвера 94 5.4. Прямой доступ в память 100 5.5. Асинхронный вывод с общей памятью 105 5.5.1. Видеоадаптер 105 5.5.2. Видеопамять 107 5.5.3. Управление курсором 110 5.5.4. Логическая схема 111 6. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 113 Введение 113 Лабораторная работа №1. Программирование драйвера экрана 113 Лабораторная работа №2. Программирование драйвера клавиатуры 115 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2 122 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 126 ПРИЛОЖЕНИЕ. ГРАФИЧЕСКИЙ ЯЗЫК ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР 127
ВВЕДЕНИЕ
Данное пособие предназначено для обучения студентов специальности «Информатика и управление в технических системах» по односеместровой дисциплине «Электронно-вычислительные машины и вычислительные системы». Основной целью данного курса является получение студентами знаний и навыков по использованию и построению системных управляющих программ для однопрограммных вычислительных систем. Вычислительной системой (ВС) называется система, состоящая из аппаратных и программных средств, предназначенная для выполнения некоторого множества задач по переработке информации. При отсутствии таких задач ни сама ВС, ни её подсистемы не нужны. Каждая задача, решаемая ВС, имеет алгоритм решения. Алгоритм – правило, определяющее последовательность действий над исходными данными, приводящую к получению искомых результатов. Форма представления алгоритма решения задачи, ориентированная на машинную реализацию, называется прикладной программой. Обязательной подсистемой любой ВС является аппаратное обеспе-чение, называемое обычно аппаратурой. Сюда входят центральный процессор (ЦП), выполняющий машинные команды, из которых состоит любая машинная программа (в том числе и прикладная), а также оперативная память (ОП), предназначенная для хранения программ и обрабатываемых ими данных. Кроме того, любая ВС имеет периферийные аппаратные устройства: устройства ввода-вывода (например, дисплей и клавиатуру) и устройства внешней памяти (например, винчестер). Несмотря на то, что ВС в составе двух названных подсистем (аппа-ратура и прикладные программы) в принципе пригодна для решения задач по переработке информации, практическое применение такой системы ограничивается лишь простейшими задачами. Это обусловлено тем, что разработка даже простой (в смысле решаемой задачи) прикладной программы на "голой” аппаратуре представляет собой очень трудоёмкий процесс. Уменьшение трудоёмкости прикладного программирования возможно по следующим направлениям: 1) изменение среды выполнения прикладной программы, приводя-щее к её упрощению; 2) предоставление разработчику прикладной программы возможности разрабатывать не реальную, а виртуальную (кажущуюся) программу. Реализация перечисленных направлений обеспечивается за счет включения в ВС системных программ. Кроме того, применение системных программ позволяет создавать мультипрограммные ВС. В отличие от однопрограммной ВС, позволяющей выполнять прикладные программы только по одной (каждая следующая программа ждет завершения предыдущей), мультипрограммная ВС выполняет одновременно несколько прикладных программ. Реализация такой системы требует значительных усилий на обеспечение защиты данных одной прикладной программы от воздействия других прикладных программ. Кроме того, требуется выполнять распределение ресурсов ВС между прикладными программами. В настоящем пособии рассматриваются вопросы организации однопрограммных ВС. Особое внимание в ходе этого рассмотрения уделяется интерфейсам между всеми тремя подсистемами ВС – прикладными программами, системными программами, аппаратурой. Значительное место в пособии занимают также принципы организации аппаратуры и системного программного обеспечения. В качестве примера реализации аппаратуры и операционной системы для однопрограммной ВС в данном пособии рассматриваются центральный процессор Intel 8086 (сокращенно – i8086) и операционная система MS-DOS. Данный выбор обусловлен, во-первых, тем, что MS-DOS является самой распространенной однопрограммной операционной системой. Во-вторых, эта система разрабатывалась для совместного использования с процессором i8086, который аппаратно имитируется всеми последующими процессорами фирмы Intel. Выбор примера реализации однопрограммной ВС позволяет, во-первых, вести изложение на достаточно конкретном уровне. Во-вторых, многие результаты изложения могут быть перенесены на другие однопрограммные ВС, а в некоторой степени и на мультипрограммные системы. Для изучения данного пособия требуется наличие первоначальных знаний и навыков по программированию на языке ассемблера для процессора i8086. Для их получения рекомендуются пособия автора по курсу "Информатика” [1, 2], но можно пользоваться и другими доступными учебными пособиями по этому языку программирования. Так как пособие ориентировано, прежде всего, на получение студентами знаний и навыков по разработке управляющих программ, в нем имеется достаточно большое (9) число законченных программ, а также фрагменты программ. Почти все эти программы получены автором пособия и являются рабочими (не считая драйверов для гипотетических устройств). В завершении данного пособия приведены методические указания по выполнению лабораторных и контрольных работ. Целью выполнения лабораторных работ является получение практических навыков по программированию операций ввода-вывода на уровне аппаратных интерфейсов (на уровне портов). Программирование ведется на языке ассемблера для процессора i8086 в среде операционной системы MS-DOS. В качестве устройств ввода-вывода используются экран и клавиатура. Целью выполнения контрольной работы №1 является закрепление основных определений и теоретических положений данного курса. Данная контрольная работа выполняется в диалоге с компьютерной контролирующей программой. Целью выполнения контрольной работы №2 является развитие навыков программирования на ассемблере задач, описание которых приведено в настоящем пособии. Изучение курса "ЭВМ и ВС” заканчивается получением зачета и сдачей компьютерного экзамена. Для получения зачета требуется успешно выполнить две лабораторные и две контрольные работы, подтвердив это соответствующими отчетами. Отчеты по всем лабораторным и контрольным работам предоставляются в ТМЦДО в виде файлов на дискете. При выполнении второй контрольной работы, а также при выполнении первой лабораторной работы используется номер варианта (от 1 до 20). Этот номер рассчитывается по формуле: V = (20 x K) div 100, где V – искомый номер варианта (при V = 0 выбирается номер варианта 20); K – значение двух последних цифр пароля (число от 00 до 99); div – целочисленное деление (после деления отбрасывается дробная часть).
1. ФУНКЦИИ ОДНОПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ
1.1. Виртуальная машина пользователя прикладной программы
Как сказано во введении, основной функцией любой ВС является выполнение прикладных программ. На рис.1 приведена укрупненная структура однопрограммной
'---------------------------------- РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Настоящее учебно-методическое пособие предполагает наличие предварительных знаний по программированию на языке ассемблера для процессора i8086. Для изучения этого языка рекомендуются пособия [1, 2], но могут использоваться и другие доступные источники. Книга [3] содержит достаточно полные сведения об аппаратуре рассматриваемой однопрограммной ВС. В [4] содержится достаточно полный перечень системных вызовов MS-DOS и BIOS, а также рассматриваются вопросы программного использования этих вызовов. Книги [5, 6] содержат подробное описание не только традиционных, но и достаточно новых системных вызовов, присущих последним версиям MS-DOS. Кроме того, эти источники могут использоваться как учебники по языку ассемблера.
1. Одиноков В.В. Информатика. Ассемблер для процессора i8086. Учебное пособие. -Томск, ТМЦДО, 2000. 93 с. 2. Одиноков В.В. Информатика. Ассемблер для процессора i8086. Учебное методическое пособие. -Томск, ТМЦДО, 2000. 100 с. 3. Лю Ю., Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. – М., ”Радио и связь”, 1987. 512 с. 4. Данкан Р. Профессиональная работа в MS-DOS. – М., «Мир», 1993. 510 с. 5. Зубков С.В. Ассемблер для DOS, Windows и Unix. – М., ДМК, 1999. 640 с. 6. Пирогов В.Ю. Assembler. Учебный курс. – М., «Нолидж», 2001. 846 с.
