1. Работа с дисками на физическом уровне

• 1.1. Обзор дисковых устройств
• 1.2. Секторы, головки , цилиндры...
• 1.3. Характеристики дисковых накопителей
• 1.4. Программирование контроллера НГМД
• 1.5. Функции BIOS для работы с дисками
• 1.6. Примеры использования функций BIOS
• 1.7. Функция _bios_disk

В распоряжении программиста имеются средства разного уровня, предназначенные для работы с дисковой системой в среде MS-DOS.

Во-первых, любая программа может обращаться непосредственно к аппаратуре контроллера жесткого диска или контроллера накопителя на гибких магнитных дисках.

Это самый низкий уровень, применение которого оправдано далеко не всегда. Более того, мы настоятельно рекомендуем не работать с контроллером на уровне портов, если вы точно не знаете, зачем вам это нужно. Большинство задач решается с применением функций MS-DOS или BIOS (даже такие нетрадиционные задачи, как защита от несанкционированного копирования). Однако иногда программист бывает вынужден использовать самый низкий уровень, рискуя потерять совместимость с многочисленными типами дисковых контроллеров.

Во-вторых, программа MS-DOS может работать с дисками при помощи прерывания BIOS. Мы рассмотрим различные функции прерывания INT 13h , предназначенного для выполнения операций чтения, записи и форматирования.

Использование функций прерывания INT 13h намного предпочтительнее, чем непосредственное программирование контроллера, так как BIOS скрывает особенности аппаратной реализации контроллера.

В-третьих, программа может обращаться к прерываниям MS-DOS, специально предназначенным для доступа к дисковой системе. Сервис, предоставляемый этими прерываниями также можно разделить на низко- и высокоуровневый, поэтому у программиста всегда есть выбор.

Выбирая средства обращения к дисковой системе, программист должен вначале рассмотреть возможность использования наиболее высокоуровневых документированных средств, таких как прерывания MS-DOS. И лишь затем имеет смысл обратиться к функциям BIOS или к программированию портов контроллера.

Несмотря на все сказанное выше, мы будем вам рассказывать о средствах работы с дисковой системой, придерживаясь обратного порядка. Вначале мы расскажем вам об использовании наиболее низкоуровневых средств, и лишь затем перейдем к описанию прерываний BIOS и MS-DOS. Это позволит вам подойти к изучению высокоуровневых средств, имея полное представление о том, как устроена дисковая система.

1.1. Обзор дисковых устройств

Первые персональные компьютеры типа IBM PC не имели жесткого диска ("винчестера", или, по отечественной терминологии, накопителя на жестком магнитном диске - НМД). Они были оборудованы двумя флоппи-дисками (накопителями на гибком магнитном диске - НГМД), которые и представляли собой дисковую систему. В таких компьютерах установлены, как правило, два накопителя для флоппи-дисков (дискет).

Эти накопители подключены к контроллеру - специальному устройству, выполняющему функции управления. Контроллер обычно выполнен в виде платы и вставлен в разъем системной шины, который находится на основной плате компьютера.

В компьютере IBM PC использовали дискеты диаметром 5,25". Сейчас все большее число пользователей отказываются от громоздких дискет диаметром 5,25", отдавая предпочтение более компактным дискетам диаметром 3,5". Компьютер IBM XT имел один или два НГМД для дискет диаметром 5,25" и, как правило, один НМД емкостью 20 Мбайт. Все дисководы подключались к одному общему контроллеру. Модель IBM AT и компьютеры более высокого класса могут иметь несколько дисковых контроллеров, два НГМД с различным диаметром (3,5" и 5,25") и несколько НМД.

Емкость современных НМД составляет сотни Мбайт. Сейчас, когда стоимость одного Мбайт дисковой памяти не превышает пятидесяти центов, многие пользователи устанавливают в своем компьютеры диски емкостью 540 Мбайт или даже 1 Гбайт. Тем не менее, и такого объема памяти часто оказывается недостаточно.

Пожалуй, самая интересная разновидность современных дисковых накопителей - оптические, или лазерные. Только оптические накопители способны полностью решить проблему хранения огромных объемов информации.

В настоящее время существует несколько типов оптических дисковых накопителей. Это устройство чтения компакт-дисков CD-ROM , устройство записи CD Recordable , накопители WORM и магнитооптические накопители .

Диски CD-ROM (Compact-Disk, Read-Only Memory) - это диски, которые по своему формату и технологии записи информации напоминают звуковые компакт-диски. Они имеют диаметр 120 мм и могут содержать порядка 650 Мбайт информации. Эта информация записывается один раз и впоследствии может только читаться, как из постоянного запоминающего устройства.

Диски CD Recordable внешне очень похожи на диски CD-ROM , однако с помощью специального устройства стоимостью 1000 - 3000 долларов пользователь может записать на него свою информацию. При необходимости можно на один и тот же диск дозаписывать новые данные. Диск CD Recordable можно прочитать с помощью обычного устройства чтения компакт-дисков CD-ROM.

WORM -диски (Write Once, Read Many) предназначены для однократной записи и многократного считывания данных. Эти диски, как и CD Recordable , наилучшим образом подходят для архивного хранения информации, например, содержимого обширных баз данных.

Магнитооптические накопители могут многократно записывать информацию на один и тот же носитель (как обычные магнитные диски). Это самые дорогостоящие дисковые накопители. Их производительность сравнима с производительностью обычных жестких дисков (например, один из накопителей MaxOptix имеет емкость 1,3 Гбайт при среднем времени доступа 19 мсек).

Основной недостаток лазерных накопителей (кроме магнитооптических) - относительно невысокое быстродействие по сравнению с традиционными накопителями на жестких дисках. Однако этот недостаток постепенно преодолевается и, по-видимому, оптические накопители скоро получат широкое распространение, особенно для работы с большими архивами и базами данных.

1.2. Секторы, головки , цилиндры...

Что же, собственно, представляет из себя диск?

Дискета (флоппи-диск) - это круглая пластинка в квадратном конверте, покрытая с двух сторон магнитным материалом. Этот материал похож на тот, что используется в магнитных лентах обычных бытовых магнитофонов, но отличается по некоторым характеристикам (например, по форме и ширине петли гистерезиза). Ближе к центру в диске находится маленькое отверстие, предназначенное для синхронизации.

Когда дискета вставляется в дисковод, с обеих сторон (сверху и снизу) к ней прижимаются магнитные головки . При этом нет никакого зазора между головками и поверхностью дискеты.

С помощью специального шагового двигателя головки могут перемещаться скачкообразно вдоль радиуса диска, как бы прочерчивая при вращении диска концентрические окружности. Эти окружности называются дорожками, треками или цилиндрами - в литературе можно встретить различные названия.

Жесткий диск состоит из нескольких жестких круглых пластинок, покрытых магнитным материалом. Пластинки вращаются с огромной скоростью (порядка 3600 - 7000 оборотов в минуту) в герметичном корпусе. Около каждой стороны пластинки располагается по одной магнитной головке, но эти головки не соприкасаются с диском, а плавают на воздушной подушке в непосредственной близости от его поверхности.

Подавая команды дисковому контроллеру, программа может перемещать блок головок вдоль радиуса диска, переходя таким образом от одного цилиндра к другому.

Перемещаясь вдоль окружности дорожки, магнитная головка может записывать или считывать информацию примерно так, как это происходит в бытовом магнитофоне. Запись выполняется по битам, при этом добавляется различная служебная информация и информация для контроля данных.

Данные записываются не сплошным потоком, а блоками определенного размера. Эти блоки называются секторами. Сектор представляет собой наименьший объем данных, который записывается или прочитывается контроллером.

Для каждого сектора выполняется контроль записи или чтения. При записи сектора вычисляется контрольная сумма всех байтов, находящихся в секторе, и эта контрольная сумма записывается на диск в служебную область, расположенную после сектора. При чтении эта контрольная сумма вычисляется заново и сравнивается с контрольной суммой, считанной из служебной области. При несовпадении контроллер сообщает программе об ошибке.

Дорожки нумеруются начиная от нулевой, головки тоже начиная от нулевой, а вот секторы - начиная с первого. Почему так было сделано - сказать трудно, но именно такая нумерация используется при работе с контроллером диска и функциями прерывания BIOS, обслуживающими дисковую подсистему. В операциях чтения или записи на физическом уровне необходимо указывать номер дорожки (0, 1, ...), головки (0, 1, ...), номер сектора (1, 2, ...).

Для правильной работы с дисками на физическом уровне программа должна располагать существенно большей информацией о дисках, чем просто номер нужной дорожки или головки . Например, она должна знать, сколько головок и сколько дорожек имеет то или иное дисковое устройство, сколько байт содержится в одном секторе и многое другое.

Из следующего раздела книги вы узнаете, как определить конфигурацию дисковой системы и основные параметры установленных дисковых накопителей.

1.3. Характеристики дисковых накопителей

Прежде чем начать работу с дисками на физическом уровне, необходимо выяснить конфигурацию дисковой системы - сколько дисководов и какого типа подключено к компьютеру, сколько дорожек и головок имеется на каждом из дисководов и т. д. Способ, которым определяется конфигурация дисковой системы, зависит от модели компьютера (PC, XT, AT), поэтому вначале займемся определением типа персонального компьютера.

Определение типа компьютера

ПЗУ базовой системы ввода/вывода BIOS содержит по адресу FFFFh:FFFEh байт конфигурации, значение которого можно использовать для идентификации типа компьютера:

Для компьютеров IBM PC и IBM PC/XT конфигурация дисковой системы определяется установкой переключателей на основной плате, в частности, переключателями устанавливается количество подключенных к системе НГМД.

Компьютеры IBM PC/AT (и более высокого класса) имеют на основной плате CMOS-память с малым энергопотреблением, которая питается от аккумулятора. В CMOS-памяти хранится информация о конфигурации дисковой системы. В процессе инициализации BIOS считывает эту информацию и записывает ее в свою внутреннюю область данных.

Проанализировав значение байта конфигурации, можно сделать предварительное заключение о составе дисковой системы компьютера. Если оно равно FFh, FDh, F9h, то наш компьютер не имеет НМД - это одна из разновидностей IBM PC. Значения FEh, FBh могут соответствовать IBM PC/XT и совместимым с ним компьютерам. Такие компьютеры могут быть оборудованы НМД. И, наконец, значение FCh соответствует IBM PC/AT. Для этого компьютера конфигурация дисковой системы должна определяться исходя из содержимого CMOS-памяти.

Следует заметить, что новые модели компьютеров могут иметь и другие, не перечисленные выше, коды идентификации.

Прерывание INT 11h

Прерывание базовой системы ввода/вывода INT 11h возвращает в регистре AX байт конфигурации системы, который можно использовать для определения количества НГМД и наличия НМД. Самый младший бит байта конфигурации (бит 0) - признак наличия в системе НМД. Если этот бит установлен в 1, то компьютер оборудован НМД, иначе дисковая система состоит только из накопителей на гибких магнитных дисках.

Биты 7 и 6 содержат информацию о количестве НГМД:

Это прерывание лучше всего использовать для IBM PC/XT и IBM PC. Для IBM PC/AT необходимо исследовать содержимое CMOS-памяти. Займемся этим.

Анализ содержимого CMOS-памяти

Программа не может непосредственно адресовать CMOS-память , как обычную оперативную память. Для работы с CMOS-памятью необходимо использовать порты ввода/вывода с адресами 70h и 71h, причем процедура записи или чтения состоит из двух шагов.

На первом шаге операции чтения или записи программа должна записать в порт 70h номер нужной ячейки CMOS-памяти (0...3Fh). На втором шаге программа должна обратиться к порту 71h для выполнения записи в указанную ячейку памяти или чтения из нее.

Приведем фрагмент программы, составленной на языке ассемблера, который считывает байт из CMOS-памяти с адресом 12h:

mov       al,12h
out     70h,al  ; задаем адрес в CMOS-памяти
jmp     $+2     ; небольшая задержка
in      al,71h  ; записываем в AL считанное значение

Запись в CMOS-память выполняется аналогично.

При анализе конфигурации дисковой системы для нас представляют наибольший интерес ячейки CMOS-памяти со следующими адресами:

• 14h - байт конфигурации

Биты 7, 6 этого байта имеют такое же значение, что и в младшем байте слова конфигурации, возвращаемого прерыванием INT 11h - они содержат информацию о количестве установленных в компьютере НГМД.

Значение бита 0, равное нулю, говорит о том, что в системе нет ни одного НГМД.

• 10h - тип НГМД

Младшая и старшая тетрады этого байта описывают, соответственно, второй и первый НГМД:

• 12h - тип НМД C: и D:

Этот байт разделен на две тетрады аналогично байту, который описывает НГМД. Однако в тетраде можно закодировать только 16 значений, а различных типов НМД значительно больше. Поэтому тип 15 используется специальным образом - если тип НМД в младшей тетраде (диск C:) равен 15, то правильное значение типа находится в CMOS-памяти по адресу 19h. Аналогично для диска D: этот тип можно взять из байта по адресу 1Ah (если содержимое старшей тетрады байта с адресом 12h равно 15).

Если в вашем компьютере установлен НМД с интерфейсом ESDI , SCSI или другим специализированным интерфейсом, то, как правило, для работы с ними используется специальная "дисковая" базовая система ввода/вывода. Соответствующая микросхема ПЗУ может быть расположена непосредственно в контроллере. При этом в CMOS-памяти в ячейке 12h для типа диска может быть указано нулевое значение, несмотря на то, что диск установлен. Прерывание INT 11h , тем не менее, скажет вам, что в системе имеется НМД.

Если используется "дисковая" базовая система ввода/вывода, то она сама инициализирует таблицу параметров диска (будет описана позже) и выполняет обработку прерывания INT 13h . Так как MS-DOS при обращении к дискам использует именно это прерывание, то не возникает никаких проблем, связанных с отсутствием типа диска в CMOS-памяти. Другие операционные системы, такие как Windows NT и OS/2 , используют для работы с дисками специальные драйверы.

Приведем сокращенную таблицу параметров для стандартных типов НМД (зависит от версии BIOS):

Для всех приведенных в таблице типов дисков на одной дорожке располагается 17 секторов.

Стандартный компьютер IBM PC/XT комплектуется обычно НМД с типом 1, тип 2 используется в стандартном компьютере IBM PC/AT. Остальные типы НМД используются главным образом старыми версиями BIOS.

Таблицы параметров НМД и НГМД

Для работы с диском на физическом уровне необходимо знать такие его характеристики, как количество головок, секторов и др. Эти характеристики можно определить из таблиц параметров НГМД и НМД, заполняемых BIOS в процессе инициализации системы.

Анализируя содержимое CMOS-памяти в компьютерах IBM PC/AT или установку переключателей конфигурации на основной плате в компьютерах IBM PC и IBM PC/XT, BIOS в процессе инициализации создает таблицу параметров дискеты DPT (Diskette Parameter Table ), а также одну или две таблицы параметров жесткого диска HDPT (Hard Disk Parameter Table). Если имеется специальная "дисковая" система ввода/вывода, то она сама создает таблицы HDPT.

Таблица параметров дискеты DPT имеет длину 10 байт, ее адрес располагается в области данных BIOS по адресу 0000h:0078h, что соответствует вектору прерывания INT 1Eh . Таблица содержит следующие параметры:

Все времена зависят от частоты тактового генератора контроллера НГМД, приведенные значения соответствуют частоте 8 МГц.

Адреса таблиц параметров жестких дисков HDPT расположены по адресам, соответствующим векторам прерываний INT 41h (для первого физического диска) и INT 46h (для второго физического диска). Эти таблицы имеют следующий формат:

Наиболее полезная информация, которую можно извлечь из таблицы параметров дискеты - это код размера сектора . Если вам когда-либо придется работать с нестандартным размером сектора (отличным от 512 байт), вам не обойтись без этой таблицы.

Таблица параметров жесткого диска содержит такие важнейшие значения, как максимальное количество дорожек и максимальное количество головок. Если вам не удалось определить тип диска, то таблица HDPT - единственное надежное место, откуда можно получить информацию о количестве дорожек и головок.

Программа DISKINFO

Для иллюстрации описанных выше приемов определения конфигурации дисковой системы компьютера приведем исходные тексты программы DISKINFO (листинг 1.1). Она определяет конфигурацию дисковой подсистемы и отображает основные характеристики используемых дисководов. Программа DISKINFO обращается к таблицам параметров НГМД и НМД.

В процессе своей работы программа вызывает функцию disk_cfg, которая заполняет поля структуры DISK_CONFIG сведениями о конфигурации дисковой системы:

Листинг 1.1. Файл diskinfo\diskinfo.cpp

#include <stdio.h>
#include <dos.h>

typedef struct _DISK_CONFIG_
{
  int  n_floppy;
  int  n_hard;
  int  t_floppy1;
  int  t_floppy2;
  int  t_hard1;
  int  t_hard2;
} DISK_CONFIG;

typedef struct _DPT _
{
  unsigned char srt_hut;
  unsigned char dma_hlt;
  unsigned char motor_w;
  unsigned char sec_size;
  unsigned char eot;
  unsigned char gap_rw;
  unsigned char dtl;
  unsigned char gap_f;
  unsigned char fill_char;
 unsigned char hst;
 unsigned char mot_start;
} DPT ;

typedef struct _HDPT _
{
  unsigned max_cyl;
  unsigned char max_head;
  unsigned srwcc;
  unsigned swpc;
  unsigned char max_ecc;
  unsigned char dstopt;
  unsigned char st_del;
  unsigned char fm_del;
  unsigned char chk_del;
  char reserve[4];
} HDPT ;

void disk_cfg(DISK_CONFIG* cfg);
DPT  far *get_dpt(void);
HDPT  far *get_hdp1(void);
HDPT  far *get_hdp2(void);

void main(void)
{
  DISK_CONFIG cfg;
  DPT   far *dpt_ptr;
  HDPT  far *hdpt1_ptr;
  HDPT  far *hdpt2_ptr;

  printf("\n"
    "\nКонфигурация дисковой подсистемы"
    "\n  (C)Фролов А., 1995\n");

  // Определяем конфигурацию дисковой подсистемы
  disk_cfg(&cfg);

  printf("\nУстановлено:"
    "\n   НГМД: %d"
    "\n   НМД:  %d",
    cfg.n_floppy, cfg.n_hard);

  printf("\nТип НГМД:  A: - %d, B: - %d"
         "\nТип НМД:   C: - %d, D: - %d",
    cfg.t_floppy1, cfg.t_floppy2,
    cfg.t_hard1,   cfg.t_hard2);

  // Получаем адрес таблицы параметров дискеты
  dpt_ptr = get_dpt();

  printf("\n"
    "\nКод размера сектора дискеты:           %d"
    "\nЗаполняющий символ для форматирования: %2.2X",
    dpt_ptr->sec_size, dpt_ptr->fill_char);

  // Получаем адреса первой и второй таблицы
  // параметров жесткого диска
  hdpt1_ptr = get_hdp1();
  hdpt2_ptr = get_hdp2();

  printf("\n"
    "\nПараметры первого НМД:"
    "\n   Количество дорожек:       %d"
    "\n   Количество головок:       %d"
    "\n"
    "\nПараметры второго диска:"
    "\n   Количество дорожек:       %d"
    "\n   Количество головок:       %d",
    hdpt1_ptr->max_cyl,  hdpt1_ptr->max_head,
    hdpt2_ptr->max_cyl,  hdpt2_ptr->max_head);
}

/**
* disk_cfg
*
* Определить конфигурацию дисковой подсистемы
*
* Функция заполняет структуру, описывающую
* конфигурацию дисковой подсистемы:
*
* typedef struct _DISK_CONFIG_
* {
*   int  n_floppy;
*   int  n_hard;
*   int  t_floppy1;
*   int  t_floppy2;
*   int  t_hard1;
*   int  t_hard2;
* } DISK_CONFIG;
*
**/

void disk_cfg(DISK_CONFIG* cfg)
{
  char unsigned far *modptr;
  char unsigned pc_type;
  char cfg_byte;
  int  cfg_word;

  union REGS inregs, outregs;

  // Определяем тип компьютера
  modptr = (char unsigned far*)MK_FP(0xf000, 0xfffe);
  pc_type = *modptr;

  // В зависимости от типа компьютера выбираем
  // способ определения конфигурации дисковой
  // подсистемы
  switch (pc_type)
  {
    case 0xfc:

      // Для IBM AT считываем конфигурацию дисковой
      // подсистемы из CMOS-памяти

      // Считываем байт конфигурации
      outp(0x70, 0x14);
      cfg_byte = inp(0x71);

      // Определяем количество установленных НГМД
      if((cfg_byte & 1) == 0)
      {
        // Если младший бит байта конфигурации равен 0,
        // НГМД отсутствуют
        cfg->n_floppy  = 0;
        cfg->t_floppy1 = 0;
        cfg->t_floppy2 = 0;
      }
      else
      {
        // Определяем количество установленных НГМД
        cfg->n_floppy = ((cfg_byte >> 6) & 3) + 1;

        // Определяем типы НГМД
        outp(0x70, 0x10);
        cfg_byte = inp(0x71);

        cfg->t_floppy2 = cfg_byte & 0xf;
        cfg->t_floppy1 = (cfg_byte >> 4) & 0xf;
      }

      // Определяем конфигурацию НМД
      outp(0x70, 0x12);
      cfg_byte = inp(0x71);

      if(cfg_byte == 0)
      {
        // Если обе тетрады равны нулю, система
        // не содержит НМД
        cfg->n_hard  = 0;
        cfg->t_hard1 = 0;
        cfg->t_hard2 = 0;
      }
      else
      {
        // Определяем тип первого диска - диска C:
        if((cfg_byte & 0xf) != 0xf)
          cfg->t_hard1 = cfg_byte & 0xf;
        else
        {
          outp(0x70, 0x19);
          cfg->t_hard1 = inp(0x71);
        }

        // Определяем тип второго диска - диска D:
        if((cfg_byte & 0xf0) != 0xf0)
          cfg->t_hard2 = (cfg_byte >> 4) & 0xf;
        else
        {
          outp(0x70, 0x1a);
          cfg->t_hard2 = inp(0x71);
        }
      }

      // Вычисляем количество НМД, установленных
      // в системе
      cfg->n_hard = 0;
      if(cfg->t_hard1 != 0) cfg->n_hard++;
      if(cfg->t_hard2 != 0) cfg->n_hard++;

      // Для некоторых совместимых с IBM AT машин невозможно
      // определить тип диска, так как в CMOS-памяти для
      // типа диска установлено значение 0, несмотря на то,
      // что диск имеется. В таких случаях можно определить
      // наличие жесткого диска, используя слово
      // конфигурации, возвращаемое прерыванием INT 11h.

      if(cfg->n_hard == 0)
      {
        int86(0x11, &inregs, &outregs);
        cfg_word = outregs.x.ax;

        // Проверяем, есть ли НМД
        if((cfg_word & 1) != 0)
        {
          cfg->n_hard =  1;

          // Считаем, что тип используемого жесткого
          // диска неопределен
          cfg->t_hard1 = 0;
          cfg->t_hard2 = 0;
        }
      }
      break;

    default:

      // Для остальных типов компьютеров вызываем
      // прерывание INT 11h, используем возвращаемый
      // этим прерыванием байт конфигурации
      int86(0x11, &inregs, &outregs);
      cfg_word = outregs.x.ax;

      // Определяем количество установленных
      // НГМД
      cfg->n_floppy = ((cfg_word >> 6) & 3) + 1;

      // Считаем, что тип используемого НГМД
      // неопределен
      cfg->t_floppy1 = 0;
      cfg->t_floppy2 = 0;

      // Определяем наличие НМД
      if((cfg_word & 1) != 0)
      {
        cfg->n_hard =  1;

        // Считаем, что тип используемого НМД
        // неопределен
        cfg->t_hard1 = 0;
        cfg->t_hard2 = 0;
      }
      break;
  }
}

/**
* get_dpt
*
* Вычислить адрес таблицы параметров дискеты
*
* Функция возвращает указатель на таблицу
* параметров дискеты
*
**/

DPT  far *get_dpt(void)
{
  void far * far *ptr;

  ptr = (void far * far *)MK_FP(0x0, 0x78);
  return(DPT  far*)(*ptr);
}

/**
* get_hdp1
*
* Вычислить адрес первой таблицы параметров диска
*
* Функция возвращает указатель на первую таблицу
* параметров диска
*
**/

HDPT  far *get_hdp1(void)
{
  void far * far *ptr;

  ptr = (void far * far *)MK_FP(0x0, 0x104);
  return(HDPT  far*)(*ptr);
}

/**
* get_hdp2
*
* Вычислить адрес второй таблицы параметров диска
*
* Функция возвращает указатель на вторую таблицу
* параметров диска
*
**/

HDPT  far *get_hdp2(void)
{
  void far * far *ptr;

  ptr = (void far * far *)MK_FP(0x0, 0x118);
  return(HDPT  far*)(*ptr);
}

1.4. Программирование контроллера НГМД

Большинство дисковых операций можно выполнить на уровне функций BIOS. Это самый простой и надежный способ работы с диском на физическом уровне. Однако в отдельных случаях вам может потребоваться непосредственный доступ к контроллеру НГМД - например, если вы разрабатываете систему защиты данных от несанкционированного копирования.

Информация, приведенная в этом разделе, ориентирована прежде всего не на выполнение операций чтения или записи (которые лучше выполнять с помощью функций BIOS), а на управление контроллером и получение состояния контроллера. Именно эти операции требуются для организации защиты данных от несанкционированного копирования.

Формат дорожки дискеты

Для лучшего понимания работы контроллера мы приведем схему расположения зон данных на дорожке дискеты (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема расположения зон данных на дорожке дискеты

Каждый сектор на дорожке состоит из областей индекса и данных . Секторы разделены промежутками. В конце дорожки располагается конечный промежуток, его размер зависит от скорости вращения диска, длин секторов и других промежутков. Область индекса содержит информацию о номере дорожки, головки , сектора, код длины сектора. Область данных, очевидно, содержит данные, которые хранятся на диске. Приведем формат сектора (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Формат сектора

Порты контроллера НГМД

Программа обращается к контроллеру для выполнения различных операций с помощью команд ввода/вывода. Для IBM PC и IBM PC/XT используются три порта с адресами 3F2h, 3F4h и 3F5h. В компьютерах IBM PC/AT дополнительно используются два порта с адресами 3F6h и 3F7h.

Порт 3F2h работает только на запись, это порт вывода. С его помощью можно выбирать для работы один из НГМД (одновременно можно работать только с одним НГМД), сбрасывать контроллер в исходное состояние, разрешать или запрещать прерывания от контроллера и работу схем прямого доступа к памяти, включать или выключать двигатели НГМД.

Приведем назначение отдельных бит этого порта:

Порт 3F4h предназначен только для чтения. С его помощью можно получить байт основного состояния контроллера. Назначение отдельных бит приведено ниже:

Порт 3F5h предназначен для записи или чтения данных. Он используется для всех операций.

Выполнение любой операции начинается с того, что программа посылает в этот порт байт кода операции, за которым следует один или несколько байт параметров. Количество байт параметров и их назначение зависит от кода операции (т. е. от первого байта). После выполнения операции программа считывает несколько байт результата для анализа результата выполнения операции.

Порт 3F7h работает на запись и чтение, он используется только в IBM PC/AT.

При записи в этот порт биты 0-1 определяют скорость передачи данных:

Приведем назначение отдельных бит порта 3F7h при чтении из него:

Команды для контроллера НГМД

Контроллер НГМД может выполнять 15 операций, или команд. Команда разделяется на три фазы - командная фаза, фаза выполнения, фаза результата. В командной фазе программа должна передать контроллеру всю информацию, необходимую для команды. В фазе выполнения команда выполняется, и в фазе результата программа получает от контроллера информацию о состоянии контроллера.

Информация, необходимая для команды, передается контроллеру через порт данных 3F5h. В соответствии с форматом команды программа должна последовательно вывести в этот порт код команды и все параметры.

Прежде чем программа начнет командную фазу, она должна убедиться в том, что контроллер завершил выполнение предыдущей операции и готов к приему команды. Для этого программа должна прочитать байт основного состояния контроллера из порта с адресом 3F4h и проверить биты 6 и 7. Бит 6 должен быть установлен в 0. Это означает, что данные будут передаваться от процессора к контроллеру. Бит 7 должен быть установлен в 1 - это готовность контроллера к приему команды.

Фаза выполнения начинается после установки битов 6 и 7 байта основного состояния в 1. После завершения команды контроллер формирует сигнал запроса прерывания.

В фазе результата процессор считывает состояние контроллера. Это состояние хранится в нескольких внутренних регистрах контроллера:

• RS - регистр основного состояния ;
• ST0, ST1, ST2, ST3 - регистры дополнительного состояния .

Регистр основного состояния доступен через порт 3F4h, содержимое остальных регистров процессор считывает после выполнения контроллером команды через порт данных 3F5h.

В форматах команд и таблицах, приведенных ниже, используются следующие обозначения:

Приведем форматы всех команд контроллера НГМД.

• Чтение данных

• Чтение удаленных данных

• Запись данных

• Запись удаленных данных

• Чтение данных с дорожки

• Сканирование до "равно"

• Сканирование до "меньше" или "равно"

• Сканирование до "больше" или "равно"

• Форматирование дорожки

• Считывание индексных данных

• Инициализация

• Чтение состояния прерывания

• Определение параметров

• Чтение состояния накопителя

• Поиск

Первые несколько команд имеют одинаковый формат параметров и одинаковые байты результата.

Приведем байты параметров, которые должны следовать за командами и байты результата, которые процессор должен считать после выполнения команды.

После выполнения команды центральный процессор должен получить от контроллера байты результата. Среди них - содержимое внутренних регистров состояния контроллера ST0, ST1, ST2, ST3. Опишем назначение отдельных бит этих регистров.

Формат регистра ST0:

Формат регистра ST1:

Формат регистра ST2:

Формат регистра ST3:

Дополнительно перед выполнением операции и после ее завершения надо проанализировать содержимое описанного выше регистра основного состояния контроллера RS.

Команда "Определить параметры" задает времена задержки для трех внутренних таймеров контроллера. Первый байт параметров состоит из двух полей - SRT и HUT. Поле SRT задает временной интервал между шаговыми импульсами двигателя перемещения головки . Это поле имеет ширину 4 бита. Поле HUT определяет время разгрузки головки и тоже имеет ширину 4 бита.

Второй байт параметров состоит из полей HLT и ND. Поле HLT имеет ширину 7 бит и определяет время загрузки головки . Бит ND предназначен для использования канала прямого доступа ПДП - если этот бит установлен в 0, то ПДП используется, иначе обмен данными идет через центральный процессор.

Параметры для команды "Определить параметры" лучше всего взять из таблицы параметров дискеты, которая заполняется базовой системой ввода/вывода BIOS во время инициализации системы. Конечно, если вам нужны нестандартные параметры, вы можете использовать свои, ориентируясь на оригинальные значения из таблицы параметров дискеты.

Команда "Инициализация" может выполняться одновременно для всех накопителей. По этой команде головки перемещаются на нулевую дорожку.

Команда "Поиск" используется для установки головки на нужную дорожку. Поиск может выполняться одновременно для нескольких накопителей.

Команда "Чтение состояния прерывания" может вырабатываться после завершения других команд для выяснения состояния контроллера после прерывания. Эту команду удобно использовать после команд "Поиск" или "Инициализация".

После поступления команды "Чтение данных" загружается головка, контроллер считывает метки адреса идентификатора ID и поля ID. Контроллер последовательно считывает номера секторов, и как только считанный номер совпадет с запрошенным, контроллер байт за байтом считывает данные, расположенные в секторе, и передает их либо центральному процессору, либо каналу прямого доступа к памяти. При передаче данных контроллер должен обслуживаться каждые 27 мкс в режиме одинарной плотности и 13 мкс в режиме двойной плотности, иначе в регистре состояния ST3 устанавливается флаг переполнения OR.

Если контроллер не может найти нужный сектор, то в регистре ST1 устанавливается флаг отсутствия данных ND. При ошибке чтения данных, обнаруженной схемами избыточного циклического контроля CRC , устанавливается флаг ошибки данных DE.

При считывании адресной метки удаленных данных в регистре ST2 и сброшенном в 0 бите SK команды флаг CM устанавливается в 1, читаются все данные из этого сектора, затем выполнение команды прекращается.

Поле команды MT позволяет задать выполнение многодорожечной операции, при которой контроллер считывает данные с обеих сторон дискеты. Поле MFM определяет плотность обрабатываемой информации: значение 0 соответствует одинарной плотности, 1 - двойной.

Если поле команды N содержит 0, то поле DTL определяет объем передаваемых данных. Если поле N содержит отличное от нуля значение, поле DTL игнорируется и должно содержать значение 0FFh.

Выполнение команды "Запись" аналогично. В режиме записи обмен данными процессора с контроллером должен происходить каждые 31 мкс в режиме одинарной плотности и каждые 15 мкс в режиме двойной плотности.

По команде "Запись удаленных данных" в начале поля данных записывается адресная метка удаленных данных вместо обычной адресной метки данных.

По команде "Чтение данных дорожки" считываются все поля данных с каждого сектора дорожки как непрерывные блоки данных. С помощью этой команды можно выполнять многодорожечные операции и пропуски.

Команда "Чтение индексных данных" позволяет определить положение головки .

Команда "Форматирование дорожки" форматирует всю дорожку - на нее записываются интервалы, адресные метки, поля индексных данных и поля данных. Вам не обязательно располагать секторы в порядке увеличения номеров, так как при форматировании контроллер запрашивает параметры C, H, R и N.

Группа команд "Сканирование" позволяет сравнивать данные, поступающие от контроллера и от центрального процессора. Контроллер выполняет побайтное сравнение и ищет сектор, удовлетворяющий заданному условию. При выполнении условия сканирования в регистре состояния ST2 устанавливается флаг SH, в противном случае - флаг SN.

Использование команд контроллера НГМД

Выполнив сброс контроллера, вам надо его проинициализировать, указав все рабочие параметры. Затем можно выдавать контроллеру команды, каждый раз проверяя регистр основного состояния ST и анализируя байты результата ST0...ST3. Можно предложить следующую последовательность действий:

• сброс контроллера выдачей в порт 3F2h байта с битом 2, установленным в 0;
• разрешение работы контроллера выдачей в этот же порт байта с битом 2, установленным в 1;
• выдача контроллеру команды "Инициализация";
• выдача контроллеру команды "Определить параметры";
• включение двигателя и ожидание в течение примерно 0,5 с (время разгона двигателя);
• установка головки в нужное положение командой "Поиск";
• проверка результатов установки командой "Чтение состояния прерывания";
• для IBM PC/AT установка нужной скорости передачи данных выдачей в порт 3F7h байт с соответствующим значением: 0 для дискет с высокой плотностью записи (HD), 1 для двойной плотности (DD) и 2 для одинарной (SD);
• если установка головок выполнена правильно, можно выдавать команды чтения или записи данных (перед этим надо правильно запрограммировать контроллер прямого доступа к памяти, если вы собираетесь использовать режим ПДП ).

Немного о контроллере прямого доступа к памяти

Приведем основные сведения, необходимые для того чтобы разобраться в программе, демонстрирующей использование команд контроллера НГМД.

Контроллер прямого доступа к памяти (ПДП ) имеет несколько каналов и для IBM PC/AT состоит из двух микросхем Intel 8237A (или аналогичных). Контроллер НГМД использует канал с номером 2.

Перед началом инициализации контроллера ПДП программа должна послать в порты 0Bh и 0Ch код операции, которая будет выполняться - 46h для операции чтения и 4Ah для операции записи.

В процессе инициализации программа должна сообщить контроллеру ПДП адрес буфера, куда ему следует поместить данные или откуда надо взять данные, и длину передаваемых данных в байтах.

Адрес необходимо представить в виде номера страницы и смещения. Для контроллера ПДП компьютера IBM PC/AT используется 8-битовый номер страницы и 16-битовое смещение. Например, для адреса 23456h номер страницы будет равен 2h, а смещение - 3456h.

Для программирования канала 2 контроллера ПДП программа должна сначала вывести младший байт смещения в порт с адресом 04h, затем вывести в этот же порт старший байт смещения и, наконец, вывести байт номера страницы в порт с адресом 81h.

Длина передаваемых данных выводится аналогичным образом в порт с адресом 05h - сначала младший байт длины, затем старший.

После определения режима работы канала, адреса буфера и длины передаваемых данных, программа должна разрешить работу контроллера ПДП , выдав в порт с адресом 0Ch байт 2. Теперь канал прямого доступа готов к работе и будет ждать данные от контроллера НГМД.

Программа FDDIO

Программа FDDIO (листинг 1.2) использует несколько характерных команд контроллера НГМД.

Эта программа предназначена для работы на компьютере IBM PC/AT. Для того чтобы она правильно работала и на IBM PC/XT, ее надо немного изменить. Изменения касаются программирования контроллера ПДП и программирования скорости передачи контроллера НГМД. Контроллер ПДП компьютера IBM PC/XT использует 4-битовый номер страницы буфера вместо 8-битового. Скорость передачи контроллера НГМД в IBM PC/XT не программируется, поэтому вы должны убрать из программы соответствующие строки.

Программа не проверяет, установлена ли дискета в приемный карман НГМД, поэтому перед запуском не забудьте ее установить.

Листинг 1.2. Файл fddio\fddio.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>
#include <dos.h>

#define CYL 0

typedef struct _DPT _
{
  unsigned char srt_hut;
  unsigned char dma_hlt;
  unsigned char motor_w;
  unsigned char sec_size;
  unsigned char eot;
  unsigned char gap_rw;
  unsigned char dtl;
  unsigned char gap_f;
  unsigned char fill_char;
  unsigned char hst;
  unsigned char mot_start;
} DPT ;

DPT  far *get_dpt(void);
void fdc_out(unsigned char byte);
int  fdc_inp(void);
void int_wait(void);
void dma_init(void far *);
void delay(int cnt);

char buffer[512];

void main(void)
{
  unsigned i;
  long l;
  char status[7], main_status;
  DPT  _far *fdpt;
  FILE  *sect;

  printf("\n\nРабота с контроллером НГМД"
         "\n  (C)Фролов А., 1995\n");

  // Открываем файл, в который будем записывать
  // содержимое самого первого сектора дискеты
  sect = fopen ("!sector.dat","wb+");

  // Устанавливаем указатель на таблицу
  // параметров дискеты
  fdpt = get_dpt();

  // Включаем мотор дисковода А:
  // Перед этим разрешаем прерывания
  _enable();
  outp(0x3F2, 0x1C);

  // Выполняем задержку для разгона двигателя
  delay(18);

  // Показываем содержимое регистра основного
  // состояния контроллера
  printf("Мотор включен.\t\t");
  printf("Основное состояние: %02.2X\n",inp(0x3F4));

  // Перед чтением сектора необходимо установить
  // головку на нужную дорожку, в нашем случае это
  // дорожка с номером CYL

  // Выдаем контроллеру команду "Поиск"
  fdc_out(0xf);

  // Для команды "Поиск" требуется два байта параметров:
  // номер головки /номер накопителя и номер дорожки.
  // Мы работаем с нулевой головкой накопителя А:,
  // поэтому первый параметр равен 0, второй - CYL
  fdc_out(0);
  fdc_out(CYL);

  // Показываем содержимое регистра основного
  // состояния контроллера
  printf("\n<<<Поиск>>> \t\t");
  printf("Основное состояние: %02.2X\n",inp(0x3F4));

  // Ожидаем прерывание по завершению операции
  int_wait();

  // Задержка для позиционирования головки
  delay(1);

  // Для проверки результата выполнения команды
  // "Поиск" выдаем контроллеру команду
  // "Чтение состояния прерывания"

  // Выводим содержимое регистра состояния
  // ST0  и номер дорожки после выполнения команды
  // "Поиск" PCN
  fdc_out(0x8);
  printf("Состояние прерывания:\t");
  printf(" ST0: %02.2X, \t", fdc_inp());
  printf("PCN: %02.2X\n", fdc_inp());

  // Для более глубокой диагностики состояния
  // контроллера выдаем контроллеру команду
  // "Чтение состояния накопителя", выводим
  // содержимое регистра состояния ST3
  fdc_out(4);
  fdc_out(0);
  printf("Состояние накопителя:\t ST3: %02.2X\n",fdc_inp());

  // Устанавливаем скорость передачи данных 500 Кбайт/с
  outp(0x3F7, 0);

  // Инициализация канала прямого
  // доступа к памяти
  dma_init((void far *)buffer);

  // Выдаем команду "Чтение данных"
  fdc_out(0x66);
  fdc_out(0x0);     // накопитель 0, головка 0

  fdc_out(CYL);     // цилиндр CYL
  fdc_out(0);       // головка 0
  fdc_out(1);       // номер сектора - 1

  // Передаем контроллеру технические параметры
  // дисковода, берем их из таблицы параметров дискеты.
  // Это такие параметры:
  //    - размер сектора;
  //    - номер последнего сектора на дорожке;
  //    - размер промежутка;
  //    - число считываемых/записываемых байтов
  fdc_out(fdpt->sec_size);
  fdc_out(fdpt->eot);
  fdc_out(fdpt->gap_rw);
  fdc_out(fdpt->dtl);

  // Ожидаем прерывание после завершения операции
  int_wait();

  // Считываем и выводим на экран байты результата
  // операции "Чтение данных"
  printf("\n<<<Чтение сектора>>> \n");
  printf("   Байты состояния (ST0,ST1,ST2,C,H,R,N):\n");

  for(i=0; i<7; i++) printf("%02.2X\t", (char) fdc_inp());
  printf("\n");

  // Выводим содержимое считанного сектора в файл
  for(i=0; i<512; i++) fputc (buffer[i],sect);
  fclose (sect);

  // Выключаем мотор
  outp(0x3F2, 0xC);
}

// Вывод байта в контроллер дисковода
void fdc_out(unsigned char parm)
{
  asm mov   dx,3F4h     // Порт основного состояния
loop_fdc_out:

  asm in    al,dx
  asm test  al,80h      // Проверяем готовность
  asm jz loop_fdc_out   //   контроллера

  asm inc   dx          // Выводим байт в порт данных
  asm mov   al, parm    //   контроллера
  asm out   dx, al
}

// Ввод байта из порта данных контроллера дисковода
int fdc_inp(void)
{
  asm mov   dx,3F4h     // Порт основного состояния
loop_fdc_inp:
  asm in    al,dx
  asm test  al,80h      // Проверяем готовность
  asm jz loop_fdc_inp   //   контроллера

  asm inc   dx          // Введенный байт записываем
  asm in    al, dx      // в регистр AX
}

// Ожидание прерывания от контроллера
void int_wait(void)
{
  // Разрешаем прерывания
  _enable();
  asm mov   ax,40h         // После прихода прерывания
  asm mov   es,ax          // программа обработки прерывания
  asm mov   bx,3Eh         // устанавливает в 1 старший бит
wait_loop:                     // байта в области данных BIOS
  asm mov   dl,es:[bx]     // по адресу 0040:003E.
  asm test  dl,80h         // Мы ждем, когда этот бит будет
  asm jz    wait_loop      // установлен в 1, а затем
                           // сбрасываем его.
  asm and   dl,01111111b
  asm mov   es:[bx],dl
}

// Инициализация канала прямого доступа к памяти
void dma_init(void far *buf)
{
  unsigned long f_adr;
  unsigned sg, of;

  // Вычисляем 24-разрядный адрес буфера для данных
  f_adr = ((unsigned long)FP_SEG(buf) << 4)
    + (unsigned long)FP_OFF(buf);

  // Расщепляем адрес на номер страницы
  // и смещение
  sg = (f_adr >> 16) & 0xff;
  of = f_adr & 0xffff;

  // На время программирования контроллера прямого
  // доступа запрещаем прерывания
  _disable();
  asm mov   al,46h // Команда чтения данных от
                   // контроллера НГМД

  asm out   12,al  // Сброс триггера-указателя байта
                   // для работы с 16-разрядными портами.
                     // Следующий байт, выводимый в 16-разрядный
                     // порт будет интерпретироваться
                     // как младший

  asm out   11,al  // Установка режима контроллера ПДП

  asm mov   ax,of  // Смещение буфера, младший байт
  asm out   4,al
  asm mov   al,ah  // Смещение буфера, старший байт
  asm out   4,al

  asm mov   ax,sg  // Номер страницы
  asm out   81h,al

  asm mov   ax,511 // Длина передаваемых данных
  asm out   5,al
  asm mov   al,ah
  asm out   5,al

  asm mov   al,2   // Разблокировка канала 2 контроллера ПДП
  asm out   10,al

  // Инициализация контроллера закончена,
  // разрешаем прерывания.
  _enable();
}

/**
* get_dpt
*
* Вычислить адрес таблицы параметров дискеты
*
* Функция возвращает указатель на таблицу
* параметров дискеты
*
**/

DPT  far *get_dpt(void)
{
  void far * far *ptr;

  ptr = (void far * far *)MK_FP(0x0, 0x78);
  return(DPT  far*)(*ptr);
}

/**
* delay
*
* Формирование временной задержки при помощи
* таймера.
*
* В качестве параметра функции передается
* длительность задержки в количестве прерываний,
* поступающих от таймера (таймер генерирует
* в одну секунду примерно 18 прерываний)
*
**/

void delay(int cnt)
{
  asm push bx
  asm push dx
  asm push si

  asm mov si, cnt
  asm mov ah, 0
  asm int 1ah
  asm mov bx, dx
  asm add bx, si

delay_loop:
  asm int 1ah
  asm cmp dx, bx
  asm jne delay_loop

  asm pop si
  asm pop dx
  asm pop bx
}

Остальные команды вы можете попробовать сами. Для получения дополнительной информации по контроллеру НГМД обратитесь к техническому руководству по IBM PC. Многое можно почерпнуть из описания микросхем дискового контроллера 765 фирмы NEC и аналогов этой микросхемы - Intel 8272A и отечественной КР1810ВГ72А.

1.5. Функции BIOS для работы с дисками

Наилучший и самый безопасный способ работы с дисками на физическом уровне в среде MS-DOS - использование функций базовой системы ввода/вывода BIOS. Эти функции учитывают все особенности аппаратуры и предоставляют достаточно широкий набор средств доступа к дискам на физическом уровне.

Вся дисковая подсистема обслуживается прерыванием INT 13h . Это прерывание выполняет множество функций. Для вызова определенной функции программа должна занести ее код в регистр AH. При этом в другие регистры следует записать параметры - номер НМД или НГМД, номер цилиндра, головки , адрес таблиц параметров НМД или НГМД и т. д.

Библиотека системы разработки Borland C++ содержит специальную функцию _bios_disk , которая сильно упрощает работу с дисковыми функциями BIOS. В наших программах мы будем использовать как непосредственный вызов прерывания INT 13h , так и функцию _bios_disk.

Приведем краткую таблицу функций прерывания INT 13h , после чего займемся детальным описанием этих функций. В примечании к описанию функций мы будем указывать типы компьютеров, на которых данная функция работоспособна.

Сброс дисковой системы

Эта функция вызывает сброс и рекалибровку дискового контроллера (в ходе этой процедуры головки устанавливаются на нулевую дорожку). Если в байте адреса старший бит (бит 7) установлен в 1, выполняется сброс контроллера НМД.

Сброс рекомендуется выполнять после того, как произошла ошибка при выполнении других операций, таких как чтение или запись. После сброса можно попытаться повторить операцию.

Адрес устройства, равный 0, соответствует первому НГМД (A:), 1 - второму (B:) и т. д. Адреса 80h, 81h соответствуют первому и второму НМД, соответственно.

Определение состояния дисковой системы

Эта функция может быть использована для анализа результата выполнения операции и получения кода ошибки. Функция берет передаваемый в регистре AL код ошибки из области данных BIOS (байт с адресом 0000h:0441h).

Код ошибки может принимать следующие значения:

Чтение сектора

Эта функция позволяет прочитать один или несколько секторов диска в буфер, находящийся в оперативной памяти.

Для НМД номер дорожки и номер сектора задаются следующим образом: биты 5...0 регистра CX задают номер сектора, а биты 15...6 - номер дорожки.

Перед чтением необходимо подготовить таблицу параметров НГМД или НМД.

Запись сектора

Функция записи секторов аналогична предыдущей, за исключением направления перемещения данных - данные записываются из буфера в один или несколько секторов диска. Необходимо отметить, что при работе с НГМД не для всякой BIOS будет выполняться ожидание перед выполнением операции записи, пока двигатель раскрутится до рабочей скорости. В результате программа может получить признак ошибки. Прежде чем делать вывод о причинах ошибки, следует сбросить контроллер НГМД функцией 00H и повторить операцию записи три раза.

Проверка сектора

С помощью этой функции программа может убедиться, что указанные секторы существуют и их можно прочесть. Данные проверяются по методу циклического избыточного контроля (CRC ). Адрес буфера не нужен, так как при проверке секторов чтение данных в оперативную память не выполняется.

Если вы используете компьютер со старой BIOS (выпущенной до 11/15/85), регистры ES:BX должны указывать на буфер соответствующего размера, как и при выполнении операции чтения.

Перед использованием этой функции убедитесь, что двигатель НГМД раскрутился до рабочей скорости (на выполнение этой операции обычно достаточно 0,5 - 1 сек), в противном случае произойдет ошибка.

Форматирование дорожки

Функция форматирования предназначена для начального формирования структуры дорожки диска. Эта функция разрушает все данные, записанные на дорожке. С помощью функции 05h вы можете за один раз отформатировать только одну дорожку с указанным в регистре CH номером.

Для функции форматирования необходимо задать два параметра, на которых мы остановимся подробнее - фактор чередования и адрес буфера формата.

Что такое фактор чередования ?

Этот фактор определяет последовательность расположения секторов на дорожке. Секторы могут располагаться в порядке своих номеров, через один, через два и т. д. Способ размещения секторов определяется значением фактора чередования .

Фактор 1 предполагает последовательное расположение секторов на дорожке в порядке их номеров, т. е. чередование отсутствует. Фактор 2 задает расположение секторов через один, 3 - через два и т. д. На рис. 1.3 показано использование фактора чередования при форматировании дорожки.

Рис. 1.3. Использование фактора чередования

Некоторые программы, предназначенные для подготовки НМД к работе, требуют указания величины фактора чередования при выполнении низкоуровневого форматирования.

Для чего может понадобиться несмежное расположение секторов с последовательными номерами на дорожке диска?

При последовательном расположении секторов может получиться так, что процессор не будет успевать обрабатывать смежные секторы за один проход дорожки.

Например, программа считывает последовательно второй и третий сектор. В момент времени, когда второй сектор уже считан, при быстром вращении диска к моменту начала чтения третьего сектора головки могут оказаться в середине третьего сектора. В результате диск совершит еще один оборот, прежде чем головки окажутся в начале третьего сектора. Поэтому если программа последовательно обращается к смежным секторам, может получиться так, что для чтения каждого сектора потребуется один оборот.

Если же секторы будут расположены через один или через два, количество оборотов диска, нужных для обработки последовательности смежных секторов, будет значительно меньше.

Для подбора оптимального фактора чередования при форматировании НМД можно использовать специальные программы или делать это методом проб и ошибок, задавая каждый раз новое значение фактора и проверяя быстродействие диска.

Заметим, что современные контроллеры НМД обеспечивают достаточную большую скорость передачи данных (5-10 Мбайт/с), поэтому при форматировании можно указать фактор чередования , равный 1.

Займемся теперь буфером формата . Перед вызовом функции форматирования в регистры ES:BX следует записать полный адрес буфера формата.

Перед форматированием дискеты этот буфер должен представлять из себя заполненный массив четырехбайтовых элементов - номер дорожки, головки , сектора и код размера сектора. Код размера сектора может иметь следующие значения:

Количество элементов в массиве должно быть равно количеству секторов, создаваемых на дорожке. То есть для каждого сектора буфер формата должен содержать один четырехбайтовый элемент.

Для НМД буфер формата должен представлять из себя массив размером 512 байт. В начале этого массива для каждого сектора необходимо подготовить двухбайтовые элементы. Первый байт содержит признак - хороший это сектор (00) или плохой (80h), второй байт - номер сектора.

Задавая последовательность номеров в буфере формата соответствующим образом, программа определяет фактор чередования .

Приведем пример подготовленного буфера формата для форматирования дорожки на 17 секторов с фактором чередования, равным 2:

db        00h,01h,00h,0ah,00h,02h,00h,0bh,00h,03h,00h,0ch
db      00h,04h,00h,0dh,00h,05h,00h,0eh,00h,06h,00h,0fh
db      00h,07h,00h,10h,00h,08h,00h,11h,00h,09h

Отметим, что буфер формата используется только для IBM PC/AT. В IBM PC/XT при форматировании НМД буфер формата не используется. Вместо этого значение фактора чередования указывается в регистре AL при вызове функции форматирования.

При форматировании дискет с помощью только что описанной функции таблица параметров НГМД должна содержать правильное значение количества секторов на дорожке и другие параметры, например, код размера сектора.

Форматирование дорожки НМД

Функция форматирования дорожки с кодом 6 предназначена только для НМД. При необходимости она устанавливает флаг плохого сектора. Буфер формата подготавливается таким же образом, что и для функции 05h.

Форматирование НМД

Функция форматирования с кодом 7 предназначена для форматирования целого диска начиная с определенной дорожки. Буфер формата подготавливается таким же образом, что и для функции 05h.

Определение текущих параметров НГМД или НМД

С помощью этой функции программа может определить тип НГМД или НМД, количество устройств, подключенных к первому контроллеру НМД и другие параметры, которые нужны программе для организации доступа к диску на физическом уровне.

Тип устройства, возвращаемый в регистре BL, может принимать следующие значения (для НГМД):

Инициализация контроллера НМД

Функцию инициализации контроллера НМД применяют после изменения таблиц параметров жесткого диска. Функции BIOS "узнают" о внесенных в таблицы изменениях и инициализируют соответствующим образом контроллер НМД.

Чтение секторов длинное (НМД)

Функция "Чтение секторов длинное" отличается от обычной функции чтения (с кодом 02h) тем, что она дополнительно считывает в буфер данных 4 байта кода коррекции ошибки (ECC).

Запись секторов длинная (НМД)

Функция "Запись секторов длинная" отличается от обычной функции записи (с кодом 03h) тем, что она дополнительно записывает на диск из буфера данных 4 байта кода коррекции ошибки (ECC).

Поиск дорожки (НМД)

С помощью функции 0Ch программа может подвести головки к дорожке с заданным номером. Функции чтения и записи секторов не требуют предварительного поиска дорожки, они выполняют поиск самостоятельно.

Альтернативный сброс НМД

Вы можете использовать эту функцию для сброса контроллера вместо функции с кодом 00h. В отличие от функции сброса дисковой системы с кодом 00h, эта функция не влияет на контроллер НГМД, она сбрасывает только контроллер накопителя на жестком магнитном диске.

Чтение буфера сектора (НМД)

Контроллеры НМД, как правило, имеют внутренний буфер данных. С помощью функции 0Eh программа может прочитать содержимое этого буфера в оперативную память. Обращение к диску при этом не происходит. Функция чтения буфера используется в основном для диагностики контроллера.

Запись буфера сектора (НМД)

Функция полностью аналогична предыдущей, за исключением того, что происходит не чтение, а запись данных из оперативной памяти в буфер контроллера. Она может быть использована для инициализации содержимого буфера сектора перед форматированием диска функцией 05h прерывания INT 13h .

Определение состояния НМД

О готовности НМД можно судить по байту состояния, передаваемому функцией в регистре AH. Аналогичный байт возвращается в регистре AH функцией 01h.

Рекалибровка НМД

Вызов функции приводит к позиционированию головок выбранного НМД на нулевую дорожку. Дополнительно в регистре AH возвращается байт состояния устройства.

Проверка памяти контроллера НМД

Эта функция предназначена для запуска встроенной диагностики дискового контроллера, она проверяет внутренний буфер сектора и возвращает байт состояния.

Проверка НМД

Функция используется для запуска внутренней диагностики контроллера.

Проверка контроллера НМД

Функция запускает внутреннюю диагностику контроллера.

Определение типа НГМД или НМД

Тип НГМД или НМД, который возвращается этой функцией, может принимать следующие значения:

С помощью этой функции программа может определить тип дискового устройства и возможность обнаружения замены магнитного носителя данных (как правило, дискеты).

Проверка замены диска

В некоторых случаях замена носителя данных (дискеты или сменного магнитного диска) нежелательна до выполнения определенных действий (мы говорили об этом при обсуждении драйверов дисковых устройств). С помощью этой функции программа может убедиться в том, что в дисковом устройстве установлен все тот же носитель данных, что и в начале цикла операций. Если носитель данных был по ошибке заменен раньше времени, программа может потребовать установить старый носитель для завершения работы с ним.

Установка типа дискеты

Функцию установки типа дискеты необходимо использовать перед началом работы с дискетой. Тип может принимать следующие значения:

Если перед вызовом этой функции был установлен флаг замены дискеты, то он сбрасывается. Дополнительно BIOS устанавливает скорость передачи данных через контроллер НГМД в зависимости от типа дискеты.

Установка среды для форматирования НГМД

Эта функция должна быть вызвана перед использованием функции 05h форматирования дискеты для установки правильной скорости передачи данных через контроллер. Дополнительно функция сбрасывает флаг замены дискеты (если этот флаг был установлен).

Парковка головок НМД

Парковка головок - это их установка в нерабочую область, т. е. на нерабочую дорожку. Такую операцию обычно выполняют перед транспортировкой компьютера для исключения повреждения НМД.

Современные НМД выполняют парковку головок автоматически.

Форматирование диска ESDI НМД

Эта функция предназначена для форматирования НМД, подключенного через контроллер ESDI . Она поддерживает таблицу дефектных дорожек и имеет несколько режимов форматирования в зависимости от содержимого регистра CL при вызове:

Если при форматировании указана функция генерации периодических прерываний, то после форматирования каждой дорожки вызывается прерывание INT 5h. При этом содержимое регистра AH равно 0Fh. Это прерывание можно использовать для индикации хода процесса либо для завершения процедуры форматирования по требованию оператора или программы.

При установке бита 2 регистра CL содержимое вторичной таблицы дефектов обновляется, в нее заносятся результаты тестирования диска. Для углубленного анализа поверхности диска сначала необходимо отформатировать диск с битом 3, сброшенным в 0. Затем следует выполнить анализ поверхности диска, вызвав эту же функцию с битом 3, установленным в 1.

1.6. Примеры использования функций BIOS

Только что мы привели функции BIOS, предназначенные для работы с диском на физическом уровне. Когда и как ими пользоваться?

Доступ к диску на физическом уровне может потребоваться для чтения отдельных секторов диска, расположенных в фиксированных (или известных) местах диска - таблицы разделов диска, каталогов и т. п. С помощью функций BIOS можно выполнить низкоуровневое форматирование диска, как стандартное, так и использующее нестандартный формат дорожки. Последняя операция часто применяется для создания установочных (инсталляционных) дискет, защищенных от несанкционированного копирования.

В любом случае при записи информации в секторы следует внимательно анализировать работу программы - ошибки могут привести к разрушению логической структуры диска. В результате этого могут появиться потерянные каталоги и файлы. Все опасные эксперименты лучше проводить на дискетах, и только когда вы уверены в безошибочной работе программы, можно "допустить" ее к жесткому диску.

Если в компьютере установлен НГМД с высокой плотностью записи, перед началом работы с дискетами двойной плотности записи (360 и 720 Кбайт) вам надо правильно установить скорость передачи данных через контроллер НГМД. Лучше всего это сделать функцией 17h прерывания INT 13h , указав правильный тип дискеты.

Не следует забывать о задержке, необходимой для разгона двигателя НГМД до рабочей скорости. Некоторые функции BIOS могут вернуть признак ошибки, если к моменту их вызова двигатель не набрал нужной скорости. Если вы получили признак ошибки, вначале следует три раза повторить вызов функции, сбрасывая каждый раз перед этим контроллер НГМД функцией 0 прерывания INT 13h . Если и после этого ошибка не исчезла, следует провести ее углубленный анализ.

Приведем примеры использования функций прерывания INT 13h для работы с НГМД.

Программа FD13

Первый пример - программа FD13 (листинг 1.3), составленная на языке ассемблера. Она читает самый первый сектор диска, расположенный на нулевой дорожке, нулевой стороне (нулевая головка). Этот сектор имеет номер 1.

Листинг 1.3. Файл fd13\fd13.asm

  .MODEL  tiny
  .DATA

; Буфер, в который будет прочитан сектор диска
buf db 512 dup (?)

  .CODE
  .STARTUP

  mov   ch, 00h   ; номер дорожки
  mov   cl, 01h   ; номер сектора

  mov   dh, 00h   ; номер головки  (стороны диска)
  mov   dl, 00h   ; номер НГМД, соответсвует
                  ; устройству А:

; Готовим адрес буфера в ES:BX
  mov   ax, cs
  mov   es, ax

  mov   bx, OFFSET buf

; Готовим код функции
  mov   ah, 02h   ; код функции - чтение сектора
  mov   al, 01h   ; читаем 1 сектор

; Вызываем прерывание
  int   13h

  .EXIT   0
  END

Для подготовки загрузочного модуля этой программы мы использовали пакетный файл, приведенный в листинге 1.4.

Листинг 1.4. Файл fd13\mk.bat

tasm fd13
tlink fd13 /t

Программа FDCHANGE

Следующая программа, которая называется FDCHANGE - пример использования аппаратуры проверки замены дискеты. Текст программы приведен в листинге 1.5.

Сначала программа устанавливает тип дискеты. Это нужно для правильного выбора скорости передачи данных контроллером НГМД. При установке типа дискеты сбрасывается флаг замены дискеты.

Далее после чтения состояния НГМД программа делает паузу, во время которой вы можете заменить дискету или просто открыть и закрыть дверцу дисковода. Выполнив (или не выполнив) действия по замене дискеты, нажмите на любую клавишу. Программа выведет на экран новое состояние флага замены дискеты.

Попробуйте запустить эту программу без дискеты, обратите внимание на состояние порта 0x3F7.

Главное, что вы можете взять из приведенной ниже программы - это техника работы с флагом замены дискеты. Используя аппаратуру проверки замены дискеты, ваша программа сможет более полно контролировать действия пользователя при установке и замене дискет.

Листинг 1.5. Файл fdchange\ fdchange.cpp

#include <stdio.h>
#include <conio.h>
#include <dos.h>
#include <stdlib.h>

union REGS inregs, outregs;

void main(void)
{
  // Устанавливаем тип диска и сбрасываем
  // флаг замены дискеты
  inregs.h.ah = 0x17;
  inregs.h.al = 3;
  inregs.h.dl = 0;
  int86(0x13, &inregs, &outregs);

  // Определяем тип диска и наличие аппаратной
  // поддержки проверки замены дискеты
  inregs.h.ah = 0x15;
  inregs.h.dl = 0;
  int86(0x13, &inregs, &outregs);
  printf("\nТип диска А: %d", outregs.h.ah);

  // Определяем состояние флага замены дискеты
  inregs.h.ah = 0x16;
  inregs.h.dl = 0;
  int86(0x13, &inregs, &outregs);
  printf("\nСостояние флага замены дискеты:"
         " %d",outregs.h.ah);

  // Выводим состояние порта 0x3F7.
  // Бит 7 этого порта отображает состояние
  // флага замены дискеты
  printf("\nПорт 0x3F7: %02.2x",inp(0x3f7));

  // Сбрасываем контроллер НГМД
  inregs.h.ah = 0;
  inregs.h.dl = 0;
  int86(0x13, &inregs, &outregs);

  // Делаем паузу, во время которой можно
  // заменить дискету.
  // Попробуйте во время ожидания нажатия на клавишу
  // открыть и затем закрыть дверцу дисковода - это
  // приведет к установке флага замена дискеты
  printf("\nЗамените дискету и нажмите на любую клавишу");
  getch();

  // Определяем состояние флага замены дискеты
  inregs.h.ah = 0x16;
  inregs.h.dl = 0;
  int86(0x13, &inregs, &outregs);
  printf("\nСостояние флага замены дискеты: %d",
    outregs.h.ah);

  // Выводим состояние порта 0x3F7.
  printf("\nПорт 0x3F7: %02.2x", inp(0x3f7));
}

Еще один пример использования прерывания INT 13h (нестандартное форматирование дорожки дискеты) мы приведем в следующем разделе.

1.7. Функция _bios_disk

Стандартная библиотека Borland C++ содержит специальную функцию _bios_disk , облегчающую работу с диском на уровне BIOS. Эта функция описана в файле bios.h следующим образом:

unsigned _bios_disk (unsigned funct,
                     struct diskinfo_t *diskinfo);

Параметр funct задает выполняемую функцию. Параметр diskinfo - это указатель на структуру, описывающую необходимые параметры, такие как номер дорожки, номер головки и т. д.:

struct diskinfo_t
{
  unsigned drive;       // номер дисковода
  unsigned head;        // номер головки
  unsigned track;       // номер дорожки
  unsigned sector;      // номер первого сектора
  unsigned nsectors;    // количество секторов
  void far *buffer;     // адрес буфера в памяти
};

Перед использованием функции _bios_disk программа должна заполнить поля структуры diskinfo и указать соответствующий параметр funct.

Файл bios.h содержит константы для возможных значений параметра funct:

Программа FDBIOS

Приведем пример программы FDBIOS (листинг 1.6), которая читает первый сектор нулевой дорожки (нулевая головка) диска А: и записывает его содержимое в файл. В случае ошибки программа пытается прочесть сектор три раза.

Листинг 1.6. Файл fdbios\ fdbios.cpp

#include <stdio.h>
#include <bios.h>
#include <dos.h>

char diskbuf[512];

void main(void)
{
  unsigned status = 0, i;
  struct diskinfo_t di;
  FILE  *sect;

  // Открываем файл, в который будем записывать
  // содержимое самого первого сектора дискеты
  sect = fopen ("!sector.dat","wb+");

  di.drive    = 0;
  di.head     = 0;
  di.track    = 0;
  di.sector   = 1;
  di.nsectors = 1;
  di.buffer   = (void far*)diskbuf;

  for(i = 0; i < 3; i++)
  {
    status = _bios_disk (_DISK_READ , &di) >> 8;
    if(!status) break;
  }

  // Выводим содержимое считанного сектора в файл
  for(i=0; i<512; i++) fputc (diskbuf[i], sect);
  fclose (sect);
}

Программа FDFORMAT

Последний пример, который мы приведем перед тем, как закончить с работой диска на физическом уровне, это форматирование дорожки. Сейчас мы будем использовать стандартное форматирование. Как отформатировать дорожку нестандартным образом, вы узнаете в разделе, посвященном защите информации от несанкционированного копирования. Там же будет приведен соответствующий пример.

Программа FDFORMAT (листинг 1.7) форматирует 20 дорожку дискеты, установленной в НГМД А:.

Листинг 1.7. Файл fdformat\ fdformat.cpp

#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include <bios.h>

typedef struct _DPT _
{
  unsigned char srt_hut;
  unsigned char dma_hlt;
  unsigned char motor_w;
  unsigned char sec_size;
  unsigned char eot;
  unsigned char gap_rw;
  unsigned char dtl;
  unsigned char gap_f;
  unsigned char fill_char;
  unsigned char hst;
  unsigned char mot_start;
} DPT ;

DPT  far *get_dpt(void);

// Номер форматируемой дорожки
#define TRK 20

// Код размера сектора - 512 байт
#define SEC_SIZE 2

union REGS inregs, outregs;
char diskbuf[512];

void main(void)
{
  struct diskinfo_t di;
  unsigned status;
  unsigned char old_sec_size,
    old_fill_char, old_eot;
  int i, j;
  DPT   _far *dpt_ptr;

  // Получаем адрес таблицы параметров дискеты
  dpt_ptr = get_dpt();

  // Сохраняем старые значения из таблицы параметров
  old_sec_size  = dpt_ptr->sec_size;
  old_fill_char = dpt_ptr->fill_char;
  old_eot       = dpt_ptr->eot;

  // Устанавливаем в таблице параметров дискеты
  // код размера сектора, символ заполнения при
  // форматировании, количество секторов на дорожке
  dpt_ptr->sec_size  = SEC_SIZE;
  dpt_ptr->fill_char = 0xf8;
  dpt_ptr->eot       = 15;

  // Устанавливаем тип дискеты
  inregs.h.ah = 0x17;
  inregs.h.al = 3; // дискета высокой плотности
                   // в НГМД высокой плотности
  inregs.h.dl = 0;
  int86(0x13, &inregs, &outregs);

  // Устанавливаем среду для форматирования
  inregs.h.ah = 0x18;
  inregs.h.ch = TRK;
  inregs.h.cl = dpt_ptr->eot;
  inregs.h.dl = 0;
  int86(0x13, &inregs, &outregs);

  // Подготавливаем параметры для
  // функции форматирования
  di.drive    = 0;
  di.head     = 0;
  di.track    = TRK;
  di.sector   = 1;
  di.nsectors = 15;
  di.buffer   = (void far*)diskbuf;

  // Подготавливаем буфер формата для 15 секторов
  for(i=0, j=1; j<16; i += 4, j++)
  {
    diskbuf[i]    = TRK;
    diskbuf[i+1]  = 0;
    diskbuf[i+2]  = j;
    diskbuf[i+3]  = SEC_SIZE;
  }

  // Вызываем функцию форматирования дорожки
  // (если завершилось с ошибкой, можно попробовать
  // повторить операцию три раза)
  status = _bios_disk (_DISK_FORMAT , &di) >> 8;

  printf("\nФорматирование завершилось "
    "с кодом: %d", status);

  // Восстанавливаем старые значения в
  // таблице параметров дискеты
  dpt_ptr->sec_size  = old_sec_size;
  dpt_ptr->fill_char = old_fill_char;
  dpt_ptr->eot       = old_eot;
}

/**
* get_dpt
*
* Вычислить адрес таблицы параметров дискеты
*
* Функция возвращает указатель на таблицу
* параметров дискеты
*
**/
DPT  far *get_dpt(void)
{
  void far * far *ptr;
  ptr = (void far * far *)MK_FP(0x0, 0x78);
  return(DPT  far*)(*ptr);
}