| [Назад] [Далее] | |
Из того, что DOS является однозадачной операционной системой, вовсе не следует, что в ней не могут существовать одновременно несколько процессов. Это только означает, что сама система не будет предоставлять никаких специальных возможностей для их одновременного выполнения, кроме возможности оставлять программы резидентными в памяти. Так, чтобы организовать общую память для нескольких процессов, надо загрузить пассивную резидентную программу, которая будет поддерживать функции выделения блока памяти (возвращающая идентификатор), определения адреса блока (по его идентификатору) и освобождения блока — приблизительно так же, как работают драйверы EMS или XMS.
Чтобы реализовать многозадачность, придется запустить активную резидентную программу, которая перехватит прерывание IRQ0 и по каждому такту системного таймера будет по очереди отбирать управление от каждого из запущенных процессов и передавать следующему. Практически никто не реализует полноценную многозадачность в DOS, когда каждый процесс имеет собственную память и не может обращаться к памяти другого процесса, — для этого существует защищенный режим, но встречаются довольно простые реализации для облегченного варианта многозадачности — переключение нитей.
Нить — это процесс, который использует тот же код и те же данные, что и остальные такие же процессы в системе, но отличается от них содержимым стека и регистров. Тогда резидентная программа-диспетчер по каждому прерыванию таймера будет сохранять регистры прерванной нити в ее структуру, считывать регистры следующей нити в очереди и возвращать управление, а структуры и стеки всех нитей будут храниться в какой-нибудь специально выделенной общедоступной области памяти. Указанная программа также должна поддерживать несколько вызовов при помощи какого-нибудь программного прерывания — создание нити, удаление нити и, например, передача управления следующей нити, пока текущая нить находится в состоянии ожидания.
Эта простота оборачивается сложностью написания самих нитей, так как все они используют общий код, абсолютно все в коде нити должно быть повторно входимым. Кроме того, нити создают множество проблем, связанных с синхронизацией, приводящих к тому, что либо в коде всех нитей, либо в основном резиденте придется реализовывать семафоры, очереди, сигналы, барьеры и все остальные структуры, которые встречаются в реальных пакетах для работы с нитями.
Попробуем сделать простой прототип такой многозадачности в DOS (всего с двумя нитями) и посмотрим, со сколькими проблемами придется столкнуться.
; scrsvr.asm
; Пример простой задачи, реализующей нитевую многозадачность в DOS.
; Изображает на экране две змейки, двигающиеся случайным образом, каждой из
; которых управляет своя нить.
;
; Передача управления между нитями не работает в окне DOS (Windows 95)
.model tiny
.code
.386 ; ГСЧ использует 32-битные регистры
org 100h ; СОМ-программа
start:
mov ax,13h ; видеорежим 13h
int 10h ; 320x200x256
call init_threads ; инициализировать наш диспетчер
; с этого места и до вызова shutdown_threads исполняются две нити с одним и тем
; же кодом и данными, но с разными регистрами и стеками
; (в реальной системе здесь был бы вызов fork или аналогичной функции)
mov bx,1 ; цвет (синий)
push bp
mov bp,sp ; поместить все локальные переменные в стек,
; чтобы обеспечить повторную входимость
push 1 ; добавка к X на каждом шаге
x_inc equ word ptr [bp-2]
push 0 ; добавка к Y на каждом шаге
y_inc equ word ptr [bp-4]
push 128-4 ; относительный адрес головы буфера line_coords
coords_head equ word ptr [bp-6]
push 0 ; относительный адрес хвоста буфера line_coords
coords_tail equ word ptr [bp-8]
sub sp,64*2 ; line_coords - кольцевой буфер координат точек
mov di,sp
mov cx,64
mov ax,10 ; заполнить его координатами (10, 10)
push ds
pop es
rep stosw
line_coords equ word ptr [bp-(64*2)-8]
push 0A000h
pop es ; ES - адрес видеопамяти
main_loop: ; основной цикл
call display_line ; изобразить текущее состояние змейки
; изменить направление движения случайным образом
push bx
mov ebx,50 ; вероятность смены направления 2/50
call z_random ; получить случайное число от 0 до 49
mov ax,word ptr x_inc
mov bx,word ptr y_inc
test dx,dx ; если это число - 0,
jz rot_right ; повернем направо,
dec dx ; а если 1 -
jnz exit_rot ; налево
; повороты
neg ax ; налево на 90 градусов
xchg ax,bx ; dY = -dX, dX = dY
jmp short exit_rot
rot_right:
neg bx ; направо на 90 градусов
xchg ax,bx ; dY = dX, dX = dY
exit_rot:
mov word ptr x_inc,ax ; записать новые значения инкрементов
mov word ptr y_inc,bx
pop bx ; восстановить цвет в ВХ
; перемещение змейки на одну позицию вперед
mov di,word ptr coords_head ; DI - адрес головы
mov cx,word ptr line_coords[di] ; СХ-строка
mov dx,word ptr line_coords[di+2] ; DX-столбец
add cx,word ptr y_inc ; добавить инкременты
add dx,word ptr x_inc
add di,4 ; DI - следующая точка в буфере,
and di,127 ; если DI > 128, DI = DI - 128
mov word ptr coords_head,di ; теперь голова здесь
mov word ptr line_coords[di],cx ; записать ее координаты
mov word ptr line_coords[di+2],dx
mov di,word ptr coords_tail ; прочитать адрес хвоста
add di,4 ; переместить его на одну
and di,127 ; позицию вперед
mov word ptr coords_tail,di ; и записать на место
; пауза,
; из-за особенностей нашего диспетчера (см. ниже) мы не можем пользоваться
; прерыванием BIOS для паузы, поэтому сделаем просто пустой цикл. Длину цикла
; придется изменить в зависимости от скорости процессора
mov cx,-1
loop $ ; 65 535 команд loop
mov cx,-1
loop $
mov cx,-1
loop $
mov ah,1
int 16h ; если не было нажато никакой клавиши,
jz main_loop ; продолжить основной цикл,
mov ah,0 ; иначе - прочитать клавишу
int 16h
leave ; освободить стек от локальных переменных
call shutdown_threads ; выключить многозадачность
; с этого момента у нас снова только один процесс
mov ах,3 ; видеорежим 3
int 10h ; 80x24
int 20h ; конец программы
; процедура вывода точки на экран в режиме 13h
; СХ = строка, DX = столбец, BL = цвет, ES = A000h
putpixel proc near
push di
lea ecx,[ecx*4+ecx] ; CX = строка * 5
shl cx,6 ; CX = строка * 5 * 64 = строка * 320
add dx,cx ; DX = строка * 320 + столбец = адрес
mov di,dx
mov al,bl
stosb ; записать байт в видеопамять
pop di
ret
putpixel endp
; процедура display_line
; выводит на экран нашу змейку по координатам из кольцевого буфера line_coords
display_line proc near
mov di,word ptr coords_tail ; начать вывод с хвоста,
continue_line_display:
cmp di,word ptr coords_head ; если DI равен адресу головы,
je line_displayed ; вывод закончился,
call display_point ; иначе - вывести точку на экран,
add di,4 ; установить DI на следующую точку
and di,127
jmp short continue_line_display ; и так далее
line_displayed:
call display_point
mov di,word ptr coords_tail ; вывести точку в хвосте
push bx
mov bx,0 ; нулевым цветом,
call display_point ; то есть стереть
pop bx
ret
display_line endp
; процедура display_point
; выводит точку из буфера line_coords с индексом DI
display_point proc near
mov cx,word ptr line_coords[di] ; строка
mov dx,word ptr line_coords[di+2] ; столбец
call putpixel ; вывод точки
ret
display_point endp
; процедура z_random
; стандартный конгруэнтный генератор случайных чисел (неоптимизированный)
; ввод: ЕВХ - максимальное число
; вывод: EDX - число от 0 до ЕВХ-1
z_random:
push ebx
cmp byte ptr zr_init_flag,0 ; если еще не вызывали,
je zr_init ; инициализироваться,
mov eax,zr_prev_rand ; иначе - умножить предыдущее
zr_cont:
mul rnd_number ; на множитель
div rnd_number2 ; и разделить на делитель,
mov zr_prev_rand,edx ; остаток от деления - новое число
pop ebx
mov eax,edx
xor edx,edx
div ebx ; разделить его на максимальное
ret ; и вернуть остаток в EDX
zr_init:
push 0040h ; инициализация генератора
pop fs ; 0040h:006Ch -
mov eax,fs:[006Ch] ; счетчик прерываний таймера BIOS,
mov zr_prev_rand,eax ; он и будет первым случайным числом
mov byte ptr zr_init_flag,1
jmp zr_cont
rnd_number dd 16807 ; множитель
rnd_number2 dd 2147483647 ; делитель
zr_init_flag db 0 ; флаг инициализации генератора
zr_prev_rand dd 0 ; предыдущее случайное число
; здесь начинается код диспетчера, обеспечивающего многозадачность
; структура данных, в которой мы храним регистры для каждой нити
thread_struc struc
_ах dw ?
_bx dw ?
_cx dw ?
_dx dw ?
_si dw ?
_di dw ?
_bp dw ?
_sp dw ?
_ip dw ?
_flags dw ?
thread_struc ends
; процедура init_threads
; инициализирует обработчик прерывания 08h и заполняет структуры, описывающие
; обе нити
init_threads proc near
pushf
pusha
push es
mov ax,3508h ; AH = 35h, AL = номер прерывания
int 21h ; определить адрес обработчика,
mov word ptr old_int08h,bx ; сохранить его
mov word ptr old_int08h+2,es
mov ax,2508h ; AH = 25h, AL = номер прерывания
mov dx,offset int08h_handler ; установить наш
int 21h
pop es
popa ; теперь регистры те же, что и при вызове процедуры
popf
mov thread1._ax,ax ; заполнить структуры
mov thread2._ax,ax ; threadl и thread2,
mov thread1._bx,bx ; в которых хранится содержимое
mov thread2._bx,bx ; всех регистров (кроме сегментных -
mov thread1._cx,cx ; они в этом примере не изменяются)
mov thread2._cx,cx
mov thread1._dx,dx
mov thread2._dx.dx
mov thread1._si,si
mov thread2._si,si
mov thread1._di,di
mov thread2._di,di
mov thread1._bp,bp
mov thread2._bp,bp
mov thread1._sp,offset thread1_stack+512
mov thread2._sp,offset thread2_stack+512
pop ax ; адрес возврата (теперь стек пуст)
mov thread1._ip,ax
mov thread2._ip,ax
pushf
pop ax ; флаги
mov thread1._flags,ax
mov thread2._flags,ax
mov sp,thread1._sp ; установить стек нити 1
jmp word ptr thread1._ip ; и передать ей управление
init_threads endp
current_thread db 1 ; номер текущей нити
; Обработчик прерывания INT08h (IRQ0) переключает нити
int08h_handler proc far
pushf ; сначала вызвать старый обработчик
db 9Ah ; код команды call far
old_int08h dd 0 ; адрес старого обработчика
; Определить, произошло ли прерывание в момент исполнения нашей нити или
; какого-то обработчика другого прерывания. Это важно, так как мы не собираемся
; возвращать управление тому, кого прервал таймер, по крайней мере сейчас.
; Именно поэтому нельзя пользоваться прерываниями для задержек в наших нитях и
; поэтому программа не работает в окне DOS (Windows 95)
mov save_di,bp ; сохранить ВР
mov bp,sp
push ax
push bx
pushf
mov ax,word ptr [bp+2] ; прочитать сегментную часть
mov bx,cs ; обратного адреса,
cmp ax,bx ; сравнить ее с CS,
jne called_far ; если они не совпадают - выйти,
popf
pop bx ; иначе - восстановить регистры
pop ax
mov bp,save_di
mov save_di,di ; сохранить DI, SI
mov save_si,si
pushf ; и флаги
; определить, с какой нити на какую надо передать управление,
cmp byte ptr current_thread,1 ; если с первой,
je thread1_to_thread2 ; перейти на thread1_to_thread2,
mov byte ptr current_thread,1 ; если с 2 на 1, записать
; в номер 1
mov si,offset thread1 ; и установить SI и DI
mov di,offset thread2 ; на соответствующие структуры,
jmp short order_selected
thread1_to_thread2: ; если с 1 на 2,
mov byte ptr current_thread,2 ; записать в номер нити 2
mov si,offset thread2 ; и установить SI и DI
mov di,offset thread1
order_selected:
; записать все текущие регистры в структуру по адресу [DI]
; и загрузить все регистры из структуры по адресу [SI]
; начать с SI и DI:
mov ax,[si]._si ; для MASM все выражения [reg]._reg надо
push save_si ; заменить на (thread_struc ptr [reg])._reg
pop [di]._si
mov save_si,ax
mov ax,[si]._di
push save_di
pop [di]._di
mov save_di,ax
; теперь все основные регистры
mov [di._ax],ax
mov ax,[si._ax]
mov [di._bx],bx
mov bx,[si._bx]
mov [di._cx],cx
mov cx,[si._cx]
mov [di._dx],dx
mov dx,[si._dx]
mov [di._bp],bp
mov bp,[si._bp]
; флаги
pop [di._flags]
push [si._flags]
popf
; адрес возврата
pop [di._ip] ; адрес возврата из стека
add sp,4 ; CS и флаги из стека - теперь он пуст
; переключить стеки
mov [di._sp],sp
mov sp,[si._sp]
push [si._ip] ; адрес возврата в стек (уже новый)
mov di,save_di ; загрузить DI и SI
mov si,save_si
retn ; и перейти по адресу в стеке
; управление переходит сюда, если прерывание произошло в чужом коде
called_far:
popf ; восстановить регистры
pop bx
pop ax
mov bp,save_di
iret ; и завершить обработчик
int08h_handler endp
save_di dw ? ; переменные для временного хранения
save_si dw ? ; регистров
; процедура shutdown_threads
; выключает диспетчер
shutdown_threads proc near
mov ax,2508h ; достаточно просто восстановить прерывание
lds dx,dword ptr old_int08h
int 21h
ret
shutdown_threads endp
; структура, описывающая первую нить
thread1 thread_struc <>
; и вторую,
thread2 thread_struc <>
; стек первой нити
thread1_stack db 512 dup(?)
; и второй
thread2_stack db 512 dup(?)
end start
Как мы видим, этот пример не может работать в Windows 95 и в некоторых других случаях, когда DOS расширяют до более совершенной операционной системы. Фактически в этом примере мы именно этим и занимались — реализовывали фрагмент операционной системы, который отсутствует в DOS.
Действительно, используя механизм обработчиков прерываний, можно создать операционную систему для реального режима, аналогичную DOS, но очень быстро окажется, что для этого придется общаться напрямую с аппаратным обеспечением компьютера, то есть использовать порты ввода-вывода.