Periféricos e Interfaces Ano lectivo 2003/2004 Docente: Ana Paula Costa. Aula Teórica 6

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1 Aula Teórica 6 Sumário: A stack. O DMA. O software ROM-BIOS. O sistema operativo, a BIOS e a organização da memória. Instruções para a programação de periféricos e interfaces na linguagem C. Leitura Recomendada: Capítulos 1 e 6 - Hans-Peter Messmer, The Indispensable PC Hardware Book, Addison-Wesley. Capítulos 2 e 3 - Peter Norton, Peter Aitken e Richard Wilton, PC Programmer s Bible, Microsoft Press. Um á parte sobre a stack A utilidade mais importante da stack é manter um registo de onde as subrotinas foram chamadas e que argumentos lhes foram passados. A stack também pode ser usada para armazenamento temporário de dados, embora isto seja menos comum. Note-se que a stack faz parte da RAM, o processador apenas fornece mecanismos especiais para aceder e manter este espaço. A stack opera em LIFO (Last In Fist Out) e tem duas instruções principais: Pop off, para retirar elementos da stack, e push on para colocar dados na stack. Quando se faz pop de um item da stack, obtém-se o elemento lá colocado mais recentemente. A stack pode ser vista como se fosse uma pilha de pratos. Figura nº 1 Funcionamento da stack. Esta organização LIFO é ideal quando a stack é usada para se saber em que ponto do programa se deve recomeçar quando este foi interrompido, porque a chamada mais recente é retornada primeiro. Desta forma, a stack mantém a ordem nos trabalhos dos programas, subrotinas e interrupts handlers, por muito complexos que sejam. A stack tem uma outra particularidade, tem início num endereço de memória mais alto e vai crescendo para baixo. O início (bottom) da stack é sempre um endereço maior ou igual do que o topo da stack. À medida que se vai acrescentando dados à stack, a localização do topo da stack vai-se movendo para endereços mais baixos, decrementando o valor do registo SP. É preciso não esquecer este detalhe se se quiser trabalhar directamente com a stack. Normalmente, quando um programa é posto em execução é criada uma stack para ele. 1

2 O DMA Direct Memory Access O chip DMA permite troca de dados entre os periféricos e a memória RAM, directamente, sem passar pelo CPU. O DMA liberta o processador da tarefa morosa de transferir grandes volumes de dados. O DMA estabelece uma segunda via de comunicação entre o periférico e a RAM. Figura nº 2 DMA no PC. O CPU transfere dados de um periférico para um dos seus registos internos e do registo para a RAM (também pode ser feito o caminho na direcção oposta). Existindo DMA, o controlador DMA emite os sinais de controlo e o endereço de memória, e o periférico acede directamente à RAM. Assim, o CPU fica livre da tarefa de transferir dados, e pode executar outros processos. O software ROM O software ROM é composto por três partes: 1. Rotinas de start-up, que permitem o arranque do PC. 2. ROM-BIOS (conjunto de rotinas que fornecem serviços para operar os vários dispositivos do PC). 3. Extensões ROM (rotinas adicionadas à ROM principal, quando determinado equipamento é acrescentado ao computador. Porquê motivo este software se encontra na ROM? Porque este software constitui o suporte básico para outros programas e estando permanentemente gravado na ROM, está no próprio sistema. Vamos de seguida ver cada uma das três partes do software ROM. Rotinas de start-up O primeiro trabalho do software ROM é supervisionar o arranque do computador. As rotinas de start-up realizam as seguintes tarefas: 1. Teste de fiabilidade do computador, para ver se tudo está a funcionar correctamente. 2. Inicialização de chips e equipamento standard. Determina que equipamento está ligado no PC e coloca essa informação em localizações standard de memória (endereços 0040H:0000 a 0040H:00FFH). 3. Inicialização da tabela de interrupções. Coloca na tabela de interrupções (zona de memória 00000H a 003FFH 1024 bytes) os valores por defeito que apontam para cada interrupt handler, que estão guardados na ROM-BIOS. 4. Verificação da existência de equipamento adicional e de extensões ROM. Consiste de um conjunto de rotinas que procuram por novo equipamento e extensões ROM (placas ROM adicionais que 2

3 aumentam ou substituem as funções originais da BIOS). Caso existem, é-lhes passado o controlo momentaneamente para que se possam auto-inicializar. 5. Carregamento do sistema operativo a partir do disco (bootstrap loader). A parte final do start-up consiste em chamar a interrupção 19H (bootstrap loader) que tenta carregar para memória um programa de boot de um disco (drive a ou disco rígido). Se o programa de boot é carregado com sucesso para memória é-lhe passado o controlo do computador, caso contrário, é mostrada uma mensagem de erro. ROM-BIOS (ou apenas BIOS Basic Input/Output System) A BIOS está localizada na ROM e fornece um conjunto de serviços fundamentais que são necessários para a operação do processador e dos seus periféricos. A BIOS controla os periféricos do PC, tais como o teclado, os drives de discos, o vídeo, as impressoras, etc.. Conceptualmente, os serviços ROM-BIOS encontram-se entre os programas que são executados na RAM (incluindo o sistema operativo) e o hardware. Por um lado, a BIOS recebe pedidos dos programas para realizar serviços de E/S standard. Um programa invoca tais serviços chamando uma interrupção de software. No outro lado, a BIOS comunica com os dispositivos periféricos. A BIOS é importante porque permite que os programas corram sem problemas em PC s com configurações de hardware diferentes. Evita problemas de incompatibilidade dos programas. A área de dados da BIOS A ROM-BIOS usa os 256 bytes localizados desde o endereço 0040H:0000H a 0040H:00FFH como área de dados para as suas rotinas de teclado, vídeo, disco, impressora e comunicações. Os dados são colocados nesta área de memória durante o start-up. O sistema operativo também utiliza esses dados nas suas rotinas e nos nossos programas também os podemos aceder. Exemplos de informação existente na área de dados da BIOS: 0040H:0010H lista de equipamento detectado pela BIOS (2 bytes). 0040H:0013H tamanho de memória base disponível (2 bytes). 0040H:0017H estado do teclado (2 bytes) Extensões ROM Pelo facto de a ROM-BIOS original não incluir programas de suporte para hardware adicional, existe a possibilidade de acrescentar extensões ROM. Estes módulos têm a possibilidade de substituir rotinas préexistentes da BIOS pelas suas próprias, que são colocadas em zonas específicas. O sistema operativo, a BIOS e a organização da memória O papel do sistema operativo A única função do bootstarp loader da ROM é ler o programa boot do disco, colocá-lo na memória e transferir-lhe o controlo do computador. No caso do sistema operativo MS-DOS, se existirem dois ficheiros escondidos no disco, então este é considerado disco de arranque no MS-DOS. O io.sys e o msdos.sys são esses ficheiros. Se o programa encontra estes dois ficheiros carrega-os para memória juntamente com o interpretador de comandos do MS-DOS, o ficheiro command.com. O ficheiro io.sys contem extensões da ROM-BIOS que constituem melhoramentos às rotinas BIOS existentes. Basta alterar os vectores das interrupções das rotinas BIOS para que estas fiquem a apontar para a localização de memória onde se encontra a nova rotina. O msdos.sys contem os serviços do MS-DOS, que podem ser chamados pelos programas através de uma interrupção de software. A interrupção 21H é particularmente importante porque dá acesso a um grande grupo de funções DOS. 3

4 O command.com é o interpretador de comandos do DOS e o que faz é interpretar e executar os comandos escritos na linha de comandos do sistema operativo. Alguns comandos são internos ao command.com, outros são externos e encontram-se em ficheiros à parte. BIOS versus MS-DOS O MS-DOS disponibiliza serviços que são melhoramentos das funções BIOS, para tornar determinadas operações mais eficientes. A BIOS e o DOS vêem os dispositivos de forma diferente. Por exemplo, a BIOS vê o disco rígido com um conjunto de pistas, sectores, etc., enquanto o DOS vê-o como grupos de ficheiros e directorias. Quando utilizar BIOS ou DOS? Quando temos hipótese de opção, devemos basear a nossa escolha com base na situação que queremos resolver. Há situações em que é melhor trabalhar com a BIOS e outras em que é melhor trabalhar com o DOS. No decorrer das aulas vamos falando sobre as escolhas acertadas. O acesso ao hardware Figura nº 3 O acesso ao hardware Existem basicamente três formas de aceder ao hardware: usar os serviços da BIOS, os serviços do sistema operativo, ou aceder directamente. Podendo comunicar com o hardware, porquê usar intermediário? Programação menos complicada. São rotinas standard que podem ser encontradas em qualquer PC. programa fica isolado das propriedades físicas do hardware, evitando problemas de compatibilidade. Atenção: Nem todas as tarefas são suportadas pela BIOS e pelo sistema operativo, e nesse caso temos que aceder directamente ao hardware. 4

5 Layout da memória Resumindo, vamos ver agora um esquema que representa a forma como a memória é organizada. Figura nº 4 Layout a memória Instruções para a programação de periféricos e interfaces na linguagem C Tipos de dados unsigned char; /* BYTE */ unsigned int; /* WORD */ unsigned long; /* DWORD */ Valores em hexadecimal (0x) Exemplos: 16 em decimal, 0x10 em hexadecimal 10 em decimal, 0xA em hexadecimal Acesso à memória (instruções incluídas na biblioteca dos.h) Instrução peek lê uma word da memória. int peek (unsigned segment, unsigned offset); Instrução peekb lê um byte da memória. char peekb (unsigned segment, unsigned offset); Instrução poke escreve uma word na memória. void poke (unsigned segment, unsigned offset, int valor); 5

6 Instrução pokeb escreve um byte na memória. void pokeb (unsigned segment, unsigned offset, char valor); Acesso aos portos (instruções incluídas na biblioteca dos.h) Instrução inport lê um valor do porto especificado. unsigned inport (unsigned numero_porto); Instrução inportb lê um byte do porto especificado. unsigned char inportb (unsigned numero_porto); Instrução outport envia um valor para o porto especificado. void outport (unsigned numero_porto, unsigned valor); Instrução outportb envia um byte para o porto especificado. void outportb (unsigned numero_porto, unsigned char valor); Chamada de interrupções (instruções incluídas na biblioteca dos.h) Instrução int86 chama uma interrupção de software (BIOS ou Dos). int int86 (int numero_interrupção, union REGS *inregs, union REGS *outregs); Instrução int86x chama uma interrupção de software extendida (BIOS ou Dos). int int86x (int numero_interrupção, union REGS *inregs, union REGS *outregs, struct SREGS *segregs); Instrução intdos chama uma interrupção Dos. int intdos (union REGS *inregs, union REGS *outregs); Instrução intdosx chama uma interrupção Dos extendida. int intdosx (union REGS *inregs, union REGS *outregs, struct SREGS *sregs); Cada interrupção tem as suas regras de utilização e o seu modo de funcionamento. Iremos aprendendo aos poucos. Estruturas pré definidas envolvidas (estão definidas nos ficheiros dos.h e bios.h) struct WORDREGS { unsigned int ax, bx, cx, dx, si, di, cflag, flags; struct BYTEREGS { unsigned char al, ah, bl, bh, cl, ch, dl, dh; union REGS { struct WORDREGS x; struct BUTEREGS h; struct SREGS { unsigned int es; unsigned int cs; unsigned int ss; unsigned int ds; 6

7 Assembly com o C Por vezes é necessário escrever código Assembly num programa em C, por exemplo, quando uma interrupção utiliza o registo BP, que não consta de nenhuma das estruturas pré definidas. Para o fazer: asm instrução_em_assembly; ou, se forem várias intruções: asm { instruções_em_assembly; 7