Vývoj operačného systému/Bootloader po druhé - práca s diskovými jednotkami
Práca s diskovými jednotkami je v dnešnej dobe najdôležitejšia súčasť BIOSu. Cieľom bootloaderu je načítať ďalšie časti operačného systému v slede procesu "bootovania", a to ide bez pomoci BIOSu len zložito a hlavne neprehľadne či neprenosne (medzi rôznymi typmi diskov).
Hierarchia disku
[upraviť]V minulosti nebol z praktického hľadiska v štruktúre pevného disku a diskety taký veľký rozdiel. Disková jednotka bola rozdelená
- z fyzického hľadiska do "dosiek/tanierov" (plates)
- z logického hľadiska do "hláv" (head), "stôp/cylindrov" (track/cylinder) a "sektorov" (sector) - hierarchia (od hora), pričom počet jednotlivých prvkov v jednom nadradenom prvku bol jednotný pre jeden disk, ale rozdielny pre rôzne typy
Na každý "tanier" v zariadení (disketa mala jeden 1, pevné disky viac) sa dá zapisovať z dvoch strán. Každá jedna strana teda symbolizuje jednu "hlavu". Na jednotlivých "hlavách" sú zasadené stopy (alebo inak aj cylindre, kedže n-tá stopa sa nachádza na n-tej hlave na rovnakom mieste). Každá stopa obsahuje fixný počet sektorov z ktorých každý obsahuje fixný počet bajtov.
Pri čítaní z disku sa vsunul každý tanier medzi čítacie ihlice (alebo aj inak čítacie "ruky" (arm) či čítacie hlavy), čím sa dospelo k stavu v ktorom mala každá "hlava" svoju ihlicu. Mechanizmus na posúvanie ihlíc je spoločný pre všetky "hlavy", čo znamená že ak sa musí otočiť jedna ihlica, otočia sa všetky. Z toho dôvodu sa jednotlivé stopy nezapisujú lineárne na jednu stranu taniera, ale striedavo na obidve strany, čím sa minimalizuje potreba posúvania hlavy a celý proces je rýchlejší. Táto hierarchia sa preto niekedy označuje aj v poradí cylinder-hlava-sektor.
Hlavy a stopy sa číslujú číslami od 0 vyššie. Sektory sa však adresujú od 1 (zaužívaný postup, uvedený môžno kvôli rýchlejšiemu násobeniu pri vypočítavaní odsadenia v bajtoch).
Na základe týchto informácii si vieme urobiť vzorec na vypočítanie veľkosti disku, lineárnej adresy...
- počet sektorov:
- veľkosť disku (v bajtoch): alebo
- lineárna adresa:
... a vzorce na vypočítanie CHS (cylinder-hlava-sektor) adresy
Poznámka: konštanta je vo vzorcoch používaná ako premenná vyjadrujúca počet hláv na jednom disku. Fyzicky nie je možné, aby mal tanier viac ako 2 strany, avšak jednotlivé čipy alebo virtuálne zariadenia si môžu s číslami pracovať ako chcú (jednotlivé umiestnenie hláv nemusí zodpovedať realite).
Diskety
[upraviť]V histórii klasických diskiet sú známe dva druhy:
- 5.25" - Veľkosť medzi 360KB - 1.2MB
- 3.5" - Veľkosť medzi 730 - 1.44MB
V tejto príručke sa pracuje hlavne s disketou 3.5", uvediem teda niektoré jej parametre (platia pri dosadení do vzorcov vyššie):
- počet bajtov na sektor: alebo
- počet sektorov na stopu:
- počet stôp na hlavu:
- počet hláv:
- veľkosť:
- maxmálna hodnota adresy LBA:
Adresovanie LBA
[upraviť]Adresa LBA je aktuálne všeobecne používaná pre adresovanie na diskoch (vo vzorcoch vyššie uvedená ako lineárna adresa alebo ). Na rozdiel od adresovania CHS sa v prípade LBA používa len jedno číslo (začínajúce od nuly, viď vzorce vyššie). Pre súborové systémy (rovnako ako aj pre disky samotné) je jednoduchšie (a úspornejšie) držať len jedno číslo. Pre diskové jednotky sú známe dva formáty:
- LBA28: (3.5 bajtu), maximálny počet sektorov (pri veľkosti sektoru 512 bajtov je to 128GB dát)
- LBA48: (6 bajtov), maximálny počet sektorov (pri veľkosti sektoru 512 bajtov je to 128PB (1PB = 1024TB) dát)
Poznámka: text poznámky.
Môže ležať aj na viacerých riadkoch
Je taktiež nutné poznamenať že veľkosť diskov sa často neudáva v mocninách čísla 2, ale v mocninách čísla 10, čím je disk na pohľad väčší. Preto môže mať USB o veľkosti 4GB () v skutočnosti len okolo 3.73GB () oproti očakávaným B. Čím väčší disk kupujete, tým prekvapenejší môžete byť. Množstvo bajtov v programátorskom značení pre
kde bude zastupovať multiplikáciu stupňa umocňovania (kB = 1, MB = 2, GB = 3, TB = 4 ...), môžeme vyjadriť ako
a tak teda môžeme vyjadriť stratu spôsobenú rozdielnym značením ako
pričom stále počítame hodnoty v rámci platnosti . Do presnej hodnoty v bajtoch sa dá výsledné číslo (v mocnine čísla ) preniesť týmto vzorcom:
a spätne (pre vstupné hodnoty) ako
Nárast straty sa dá vyjadriť ako derivácia , čiže
Percentuálne sa dá strata pre mocninu čísla vyjadriť ako
pre konkrétne .
Funkcie BIOSu
[upraviť]Na prácu s diskovými jednotkami sa používa prerušenie 19 (0x13) patriace BIOSu. Toto prerušenie poskytuje nízkoúrovňový prístup k disku využitím funkcií jednotných pre viacero druhov zariadení. Pôvodné verzie BIOSu podporovali len okolo 504MB pamäte (adresovanie v tejto veľkosti sa zvykne označovať aj ako fyzické CHS). Samotné pôvodné (štandardné) adresovanie CHS poskytuje má tieto obmedzenia:
Časť adresy | Bitová šírka | Max. hodnota | Max. reálny počet prvkov |
---|---|---|---|
Hlavy | 8 | 255 | 256 |
Cylindre | 10 | 1023 | 1024 |
Sektory | 6 | 63 | 63 [1] |
Veľkosť jedného sektoru | - | - | 512 |
Spolu | 24 bitov | ~8024.6557MB | 8064MB |
- ↑ Kým pri ostatných častiach adresy sa označujú prvky od 0 (ako je to zvykom), pri sektoroch začína 1. Preto je maximálna hodnota zároveň limitom počtu prvkov. Pri práci so zariadeniami ATA(IDE) je možné získať limity vo formáte CHS rovnako ako v LBA. Môže sa však stať, že zariadenie bude rátať s existenciou nultého sektoru. Preto sa viac oplatí používať adresovanie LBA, kde taktiež netreba zabudnúť na nultý sektor.
Tieto hodnoty pre adresovanie samozrejme nestačili pokryť rýchly vývoj v oblasti úložných zariadení, a tak sa do BIOSu pridali nové funkcie (známe aj ako rozšírenia prerušenia 19 - INT 13h Extensions). Rozšírené funkcie používajú adresovanie LBA, čím sa značne navýšili viaceré limity zariadení.
Úložné zariadenia majú v celom BIOSe jednoduché (a zároveň momentálne ťažko prakticky využiteľné) označenie, ktoré sa ukladá do jedného 8-bitového čísla (ktoré sa často/zvyčajne nachádza v registri DL). V dnešnej dobe je ťažké doplniť doň nové druhy zariadení, a preto sa tento formát v dnešných operačných systémoch nepoužíva.
Hodnota | Zariadenie |
---|---|
0x00 | Prvé disketové zariadenie ('A:') |
0x02 | Druhé disketové zariadenie ('B:') |
0x80 | Prvý pevný disk |
0x81 | Druhý pevný disk |
Poznámka: Označenia prvý a druhý pevný disk nemajú pevné prepojenie so zariadeniami ATA. Môže sa jednať o CD-ROM, prvý a druhý pevný disk, alebo ich podzariadenia (slaves).
Základné funkcie prerušenia 19 sú usporiadané logicky.
Hodnota (hex) | Funkcia | Vstup | Výstup | ||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
00 | Reštartuje konkrétne zariadenie (zo zariadení známych pre BIOS) | DL = BIOSové označenie zariadenia | CF = v prípade chyby 1; inak 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||
01 | Získa stav poslednej operácie vykonanej na zariadení | DL=zariadenie | CF = v prípade chyby 1; inak 0,
AL = kód chyby
| ||||||||||||||||||||||||||||||
02 | Čítanie sektorov zo zariadenia | AL = počet sektorov na čítanie,
DL = zariadenie, DH = číslo "hlavy", ES:BX = adresa uloženia prečítaných dát v pamäti, CX[0-5] = sektor, CX[6-15] = stopa/cylinder |
CF = v prípade chyby 1; inak 0,
AH = kód stavu (ako pre funkciu 01), AL = počet prečítaných sektorov | ||||||||||||||||||||||||||||||
03 | Zápis sektorov na zariadenie | AL = počet sektorov na zápis,
DL = zariadenie, DH = číslo "hlavy", ES:BX = adresa dát na zápis, CX[0:5] = sektor, CX[6:15] = stopa/cylinder |
CF = v prípade chyby 1; inak 0,
AH = kód stavu (ako pre funkciu 01), AL = počet zapísaných sektorov | ||||||||||||||||||||||||||||||
04 | Overenie sektorov na disku (hľadanie chýb). S dátami v pamäti sa nepracuje. Pri výskyte chyby by mal program niekoľkokrát overiť (a reštartovať), či sa disketa nachádza v zariadení. | AL = počet sektorov na overenie,
DL = zariadenie, DH = číslo "hlavy", ES:BX, CX[0:5] = sektor, CX[6:15] = stopa/cylinder |
CF = v prípade chyby 1; inak 0,
AH = kód stavu (ako pre funkciu 01), AL = počet (úspešne[neoverené] ) overených sektorov | ||||||||||||||||||||||||||||||
08 | Získa parametre zariadenia | DL = zariadenie,
[ES:DI = niekedy vyžadovaná hodnota 0 na niektorých BIOSoch] |
CF = v prípade chyby 1; inak 0,
AH = kód stavu (ako pre funkciu 01), DL = počet (pevných?[1]) diskov, DH = posledná (maximálna) "hlava" [2], CX[0:5] = počet sektorov na stope, CX[6:15] = posledná (maximálna) stopa/cylinder[2], ES:DI = adresa tabuľky parametrov diskety [1], BL = typ diskety podľa tabuľky
| ||||||||||||||||||||||||||||||
42 | Rozšírené čítanie sektorov zo zariadenia, funguje na princípe paketov a používa adresovanie LBA | DL = zariadenie, DS:SI = adresa na DAP (Disk Address Packet - paket diskovej addresy) | CF = v prípade chyby 1; inak 0,
AH = kód stavu (ako pre funkciu 01) | ||||||||||||||||||||||||||||||
43 | Rozšírený zápis sektorov zo zariadenia, funguje na princípe paketov a používa adresovanie LBA | DL = zariadenie,
DS:SI = adresa na DAP, AL = nastavenia zápisu |
CF = v prípade chyby 1; inak 0,
AH = kód stavu (ako pre funkciu 01) | ||||||||||||||||||||||||||||||
46 | Vysunutie konkrétneho média | DL = zariadenie, AL = 00 (rezerovované[neoverené]
) |
CF = v prípade chyby 1; inak 0,
AH = kód stavu (ako pre funkciu 01) |
- ↑ Prejsť nahor k: 1,0 1,1 Rôzne zdroje uvádzajú rôzne informácie, nemusí sa jednať len o diskety.
- ↑ Prejsť nahor k: 2,0 2,1 Z dôvodu číslovania "hláv" od 0 je nutné pripočítať 1 na zistenie počtu hláv
Použitie funkcii
[upraviť]Funkcie 00 a 01
[upraviť]Kedže je reštartovanie disku jednou z jeho funkcií (00), je možné overiť si úspech tejto operácie použitím funkcie 01. Zároveň sa odporúča overiť (reálne[1]) zariadenie niekoľkokrát (asi 3x).
BITS 16
xor cl, cl ;počítadlo = 0
xor dl, dl ;zariadenie = 0 = prvá disketa ('A:')
.again:
inc cl ;počítadlo+1
cmp cl, 5 ;ak počítadlo 3+1
jz .fatal ;disketa naozaj nefunguje
xor ah, ah ;funkcia 00: reštartovanie zariadenia
int 0x13 ;prerušenie 0x13: práca s úložnými zariadeniami
mov ah, 01 ;funkcia 01: získanie stavu poslednej operácie
int 0x13 ;rerušenie 0x13
test ah, ah ;ak AH=0 (stav = 0, úspech)
jnz .again ;pokračuj, inak vyskúšaj overenie zariadenia ešte raz
.fatal: ;informuj o výskyte chyby
Kódové ukážky uvedené nižšie budú funkčne zanedbávať AH ako návratovú hodnotu v prípade chyby.
Funkcie 02 a 03
[upraviť]Úložné zariadenia ani BIOS neposkytujú možnosť kopírovania sektorov z jedného miesta na druhé[2]. Preto je nutné využiť na tento účel funkcie ktoré poskytujú (čítanie 02 a zápis 03) a dáta dočasne ukladať v pamäti RAM.
V nasledujúcom kóde sú informácie o zdroji a cieli kopírovania uložené v pamäti a do funkcie sa dodáva len ich adresa (+ počet sektorov na kopírovanie, rátajúc s tým že jeden sektor má 512 bajtov). Štruktúra zdroja a cieľa v pamäti pre tento prípad vyzerá asi takto[3]:
Odsadenie (od zač. štruktúry) | Veľkosť (v bajtoch) | Použitie | Zodpovedajúci register |
---|---|---|---|
0 | 1 | BIOSové označenie zariadenia, umožňuje kopírovať z/do rozdielnych zariadení | DL |
1 | 1 | Hlava (head) z CHS adresy | DH |
2 | 2 | [0:5] = sektor z CHS adresy, [6:15] = stopy/cylinder z CHS adresy | CX |
BITS 16
;VSTUP: [ES:SI] = štruktúra pre zdrojové zariadenie, [ES:DI] = štruktúra pre cieľové zariadenie
; ES:BX = pamäť pre buffer, AL = počet sektorov na čítanie (nemal by byť prekročený limit segmentu)
kopiruj:
mov dl, byte [es:di] ;načítaj číslo cieľového zariadenia
call reset ;procedúra reštartujúca zariadenie a overujúca stavový kód poslednej operácie
mov dx, word [es:si] ;načítaj číslo zdrojového zariadenia + 'hlavu' začiatku
call reset ;reštartuj
mov cx, word [es:si+2]
mov ah, 02
int 0x13
jc .error
mov dx, word [es:di]
mov cx, word [es:di+2]
int 0x13
jc .error
jmp .end
.error:
mov si, chyba
call vypis
.end:
ret
chyba: db "Vyskytla sa chyba pri kopirovani, skontrolujte register AH", 0x0D, 0x0A, 0
Funkcia 04
[upraviť]Ukážka kódu vytvorená pre túto funkciu využije štruktúru uvedenú vyššie a poslúži ako nástroj na overovanie zdroja a destinácie pred kopírovaním. Funkcia prijíma adresy štruktúr a počet sektorov na kontrolu.
;VSTUP: [ES:SI] = štruktúra pre zdrojové zariadenie, [ES:DI] = štruktúra pre cieľové zariadenie
; ES:BX = pamäť pre buffer, vlastne ani nie potrebný parameter, AL = počet sektorov na overenie
kontrola:
mov dx, word [es:si]
mov cx, word [es:si+2]
mov ah, 04
int 0x13
jc .error
mov dx, word [es:di]
mov cx, word [es:di+2]
mov ah, 04
int 0x13
jc .error
jmp .end
.error:
mov si, chyba
call vypis
.end:
ret
chyba: db "Vyskytla sa chyba pri kontrole, pouzite register AH na diagnostiku", 0x0D, 0x0A, 0
Funkcia 08
[upraviť]Tento kód získa informácie o zariadení a vráti ich[4] v štruktúre vytvorenej v ukážke pre funkcie 02 a 03.
;VSTUP: DS:DI = štruktúra pre zariadenie,
; DL = BIOSové označenie zariadenia
;VÝSTUP:[DS:DI] = štruktúra pre zariadenie,
; BL = BIOSové označenie typu diskety
ziskaj_parametre:
mov ah, 08
int 0x13
jc .error
mov word [ds:di], dx
mov word [ds:di+2], cx
jmp .end
.error:
mov si, chyba
call vypis
.end:
ret
chyba: db "Vyskytla sa chyba pri ziskavani parametrov, overte hodnotu AH", 0x0D, 0x0A, 0
Na základe vzorcov uvedených vo vyššej časti článku a pripomienok v tabuľke môžete vypočítať veľkosť zariadenia v bajtoch.
Poznámky
[upraviť]- ↑ Na virtuálnych zariadeniach sa tento problém pochopiteľne veľmi nevyskytuje
- ↑ Vo všeobecnosti taká operácia v oblasti pamäte nie je možná vôbec (teda ak nerátame rôzne čipy schopné podržať informácie kým sa spracujú)
- ↑ V skutočnosti majú rôzne kompilátory rôzne možnosti poskytujúce rýchlu tvorbu a návrh štruktúr, no takto je to možno aj prehľadnejšie.
- ↑ v prípade že sa nevyskytne chyba
Podrobné zdroje
[upraviť]Hoci je isté, že sa smer kódov BIOSu výrazne zmenil, je nutné poznamenať, že na rozdiel od iných oblastí ktorými sa BIOS zaoberá sa v tomto prípade v mnohom zmenili aj vlastnosti úložísk (pričom sa napríklad PS/2 a VGA až tak nezmenili). Nikdy nie je dobré spoliehať sa na BIOS v plnej miere, a pre zariadenia na ukladanie dát to platí dvojnásobne. Nižšie je uvedený zoznam celkom podrobných zdrojov na prácu s BIOSom s ohľadom na tento druh zariadení.
- Prerušenie 13h na anglickej Wikipédii
- Ukážkové kapitoly knihy "Data Recovery with & without Programming" (záchrana dát s a bez programovania)
- Programovanie zariadení ATA, radič disketovej mechaniky a pevné disky ATA v reálnom móde na OSDev.org
- Úložné zariadenia v reálnom móde, podrobné programovanie radiča disketovej mechaniky a základ súborových systémov (FAT, hlavne pre diskety) na BrokenThorn.com
- MikeOS - 16-bitový operačný systém so zdrojovými kódmi
- Kapitola knihy "The Art of Assembly Language Programming" (online) zaoberajúca sa prerušením 0x13