Код. Тайный язык информатики - Чарльз Петцольд

Программе, работающей под управлением CP/M, часто требуется вывести что-то на экран, считать то, что вы набрали на клавиатуре, прочитать файл с диска или записать его на диск. Однако в большинстве случаев программа не записывает свои выходные данные непосредственно в видеопамять, не может получить доступ к аппаратному обеспечению клавиатуры, чтобы узнать, что вы набрали, и, конечно, не имеет доступа к оборудованию жесткого диска для чтения и записи его секторов.

Вместо этого программа, работающая под управлением CP/M, использует набор подпрограмм, встроенных в ОС для решения этих распространенных задач. Подобные подпрограммы были специально разработаны так, чтобы программы могли легко получить доступ ко всему оборудованию компьютера, включая монитор, клавиатуру и диск, не заставляя программистов беспокоиться, как эти периферийные устройства соединены. Главное, что программе, работающей под управлением CP/M, необязательно знать о дисковых секторах и дорожках. Это работа системы CP/M. Вместо этого она может сохранять целые файлы на диске, а затем считывать их.

Третья основная функция операционной системы — это предоставление программе легкого доступа к аппаратным средствам компьютера, то есть ее обеспечение интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API).

Программа, работающая под управлением CP/M, использует API, сохраняя в регистре C определенное значение (называемое номером функции) и выполняя следующую команду.

CALL 5

Например, программа получает ASCII-код нажатой на клавиатуре клавиши путем выполнения представленных ниже команд.

MVI C, 01h

CALL 5

В результате ASCII-код нажатой клавиши будет содержаться в аккумуляторе A. Аналогично команды, указанные ниже, выводят на экран символ, соответствующий ASCII-коду, содержащемуся в аккумуляторе A, сдвигая курсор на одну позицию.

MVI C, 02h

CALL 5

Если программе требуется создать файл, она сохраняет в паре регистров DE адрес области памяти, которая содержит имя файла, а затем выполняет код.

MVI C, 16h

CALL 5

В данном случае в ответ на команду CALL 5 CP/M создает на диске пустой файл. Затем программа может использовать другие функции для того, чтобы записать в этот файл новые данные и закрыть его, или закончить работу. Эта же или другая программа может позднее открыть данный файл и прочитать его содержимое.

Что же делает команда CALL 5? В CP/M в ячейке памяти по адресу 0005h хранится инструкция JMP (Jump), которая осуществляет переход в область памяти, выделенной для базовой дисковой операционной системы (BDOS). В этой области содержится множество подпрограмм, которые выполняют каждую из функций CP/M. Базовая дисковая операционная система, как следует из ее названия, в первую очередь отвечает за поддержание работы файловой системы. Часто BDOS использует подпрограммы, находящиеся в базовой системе ввода/вывода (BIOS) — области, которая фактически обращается к аппаратным средствам клавиатуры, монитора и дисков. На самом деле BIOS — это единственный раздел системы CP/M, которому требуется информация об аппаратном обеспечении компьютера. Консольный командный процессор, а также служебные программы, поставляемые с CP/M, осуществляют работу, используя функции BDOS.

API является независимым от устройства интерфейсом, а это значит, что программе, написанной для системы CP/M, не обязательно «знать» механику работы клавиатуры или монитора конкретного компьютера, а также чтения и записи секторов диска. Она просто использует функции CP/M для решения задач, связанных с клавиатурой, монитором и диском. Приятное дополнение: программа CP/M способна работать на разных компьютерах, которые могут использовать различные аппаратные средства для доступа к этим периферийным устройствам. Тем не менее всем программам CP/M требуется микропроцессор Intel 8080 или процессор, понимающий инструкции 8080, например Intel 8085 или Zilog Z-80. Пока на компьютере работает CP/M, программа использует функции этой системы для опосредованного доступа к аппаратному обеспечению. Без стандартных API-интерфейсов программы нужно было бы специально подстраивать под разные типы компьютеров.

Когда-то CP/M была популярной операционной системой для микропроцессоров 8080, и ее важность для истории несомненна. Эта система существенно повлияла на 16-битную операционную систему под названием QDOS (Quick and Dirty Operating System — операционная система «на скорую руку»), написанную Тимом Патерсоном из Seattle Computer Products для 16-разрядных микропроцессоров 8086 и 8088 компании Intel. В итоге система QDOS была переименована в 86-DOS и куплена корпорацией Microsoft. MS-DOS (Microsoft Disk Operating System — дисковая операционная система Microsoft) устанавливалась на первых персональных компьютерах IBM, выпущенных в 1981 году. Несмотря на то что 16-разрядная версия CP/M (под названием CP/M-86) также была доступна для IBM PC, стандартом быстро стала именно система MS-DOS. Лицензии на установку MS-DOS (которая называлась PC-DOS на компьютерах IBM) также продавались другим производителям IBM-совместимых компьютеров.

МS-DOS не унаследовала файловую систему CP/M, а использовала схему, названную таблицей размещения файлов (File Allocation Table, FAT), которую изобрели в Microsoft в 1977 году. Суть этой схемы в том, что дисковое пространство разделено на кластеры, размер которых в зависимости от емкости диска может варьироваться от 512 до 16 384 байт. Каждый файл — это набор кластеров. В соответствующем файлу элементе каталога указывается только его начальный кластер. В самой таблице FAT для каждого кластера на диске указывается, где находится продолжение файла.

Элементы каталога на диске MS-DOS имеют длину 32 байта и используют ту же систему наименования файлов 8.3, что и CP/M. Однако терминология здесь несколько иная: последние три буквы называются расширением, а не типом файла. В элементе каталога MS-DOS нет списка блоков выделения памяти. Вместо этого каталог содержит такую полезную информацию, как дата и время последнего изменения файла, а также его размер.

Ранние версии MS-DOS структурно напоминали CP/M. Однако система MS-DOS не нуждалась в BIOS, поскольку она уже содержалась в ПЗУ компьютера. Командный процессор MS-DOS — это файл с именем COMMAND.COM. Программы MS-DOS выпускаются в двух вариантах. Размер программ с расширением COM ограничен 64 килобайтами, более крупные имеют расширение EXE.

Несмотря на то что изначально система MS-DOS поддерживала интерфейс CALL 5 для функций API, для новых программ был рекомендован обновленный интерфейс, использующий механизм программных прерываний, который напоминает вызов подпрограммы, за исключением того, что этой программе необязательно знать фактический адрес, к которому она обращается. Программа вызывает функцию API-интерфейса MS-DOS, выполняя команду INT 21h.

Теоретически прикладные программы должны получать доступ к аппаратному обеспечению компьютера только через интерфейсы, предоставляемые операционной системой. Однако многие программисты, которые создавали прикладные программы для небольших компьютеров 1970-х годов и начала 1980-х, часто обходили эту операционную систему, особенно в плане работы с дисплеем. Программы, которые непосредственно записывали байты в видеопамять, выполнялись быстрее, чем программы, которые этого не делали. Действительно, для некоторых приложений, особенно для тех, которым необходимо отображать на экране графику, эта операционная система была совершенно неприемлемой. В MS-DOS многим программистам больше всего нравилось, что она «не путалась под ногами» и давала возможность писать настолько быстрые программы, насколько позволяло аппаратное обеспечение.