Эта серия статей посвящена изучению и практике программирования на языке ассемблера.

Материал рассчитан на новичков в ассемблере, студентов, которым пришлось столкнуться с «динозавром» в виде MS-DOS, и может быть интересен тем, кто хочет немного узнать как функционировали операционные системы на заре своего существования.

Писать мы будем резидентную программу (TSR), которая при завершении возвращает управление оболочке операционной системы, но остается в памяти и продолжает своё существование. В современном мире близкий аналог этого понятия — демон/служба.

Программа будет выполнять следующие функции:

• вывод текста вниз экрана по таймеру,

• переключение режима отображения шрифта: italic/normal,

• русификация,

• запрет на ввод прописных русских букв,

• резидентные часы,

• вывод бинарного представления символа.

Предисловие

Материал не претендует на полноту, здесь будут рассматриваться базовые концепции и приемы программирования на языке ассемблера, необходимые для написания программ.

Не буду лишний раз подчеркивать важность ассемблера. Скажу лишь только, что любой уважающий себя профессионал должен понимать как работает его система на всех уровнях, необязательно знать, но понимать нужно.

Немного оговорок. Далее под ассемблером будет пониматься язык ассемблера, а не программа компилятор. MS-DOS часто будет заменяться на dos/дос.

Об умениях, ожидается, что ты имеешь какие-то представления о командной строке, работал с языками высокого уровня (так ты будешь уже знать основные конструкции, используемые в программировании, и увидишь как они реализуются на уровне ниже). В целом, этого хватит.

Про MS-DOS. Всех, наверное, пугает это слово в современном мире. Операционная система, которая уже как 20 лет мертва, но не все так однобоко как кажется на первый взгляд. Минусы понятны: изучение технологии, которая уже сгнила и разложилась, не используемая модель памяти. Но что насчет положительных моментов:

• Ассемблер он и в Африке ассемблер, основные концепции программирования на нем будут везде одинаковы, да где-то будут расширенные регисты, где-то другой интерфейс по работе с операционной системой.

• MS-DOS очень простая операционная система, которая в начале своего существования умещалась в 50 тысяч строк кода, причем ассемблерных (Майкрософт выложила исходники 2-х версий на github). График ее изучения имеет дно, в отличие от современных операционных систем. Аналогией может служить C и C++, последний, наверное, не знает в полной мере со всеми тонкостями ни один человек в мире.

• Операционка работает в реальном режиме процессора, то есть в 16-битном. Это означает, что нет виртуальной памяти, адреса сразу преобразуются в физические с использованием сегментной адресаци памяти. Нет защиты процессов друг от друга, можно обратиться по любому адресу, посмотреть, что там лежит, можно делать с осью все, что тебе вздумается, но могут быть последствия ;). Плюс этот режим до сих пор не вымер, при запуске системы процессор начинает работу именно в этом режиме. Так что это не просто знакомство с историей.

• Из предыдущего пункта понятно, что систему легко сломать, например, переписать адрес аппаратного прерывания по работе с клавиатурой, но в режиме эмуляции dos очень быстро запускается, что очень удобно в таких случаях

• Ось очень близка к железу, есть только процессор, биос и несколько небольших модулей самой операционной системы. В отличие от современных операционок нет всяких питонов, огромного количества подсистем, которые устанешь перечислять.

• в MS-DOS мало встроенной функциональности, она работает в режиме терминала (печатной машинки), и уже первые шаги в написании ассемблерных программ позволяют видеть пользу от них.

• Ассемблер актуален в MS-DOS, и это радует, когда работаешь в ней, потому что иных средств разработки программ не так много там. Но в настоящее время ассемблер используется только в виде вставок в языке Си или в микроконтроллерах.

• Простой формат бинарного файла, точнее его попросту нет. Текст программы компилируется напрямую в машинный код, и получается исполняемый файл .COM, готовый к запуску. Очень удобно начинать обучение с этого, не забивая себе голову всякими разными дерективами, секции, которые необходимы в современных форматах.

Немного про компилятор. Использоваться будет NASM, хотя логичнее было бы использовать досовские компиляторы TASM, MASM, но они не поддерживают мою рабочую операционную систему Линукс, а разрабатываться хочется все-таки в удобстве, поэтому взят nasm. Он популярный, современный, кроссплатформенный (запускается везде, компилируется подо все, включая дос), более умный — позволяет опускать какие-то вещи в синтаксисе, имеет фичи в виде локальных меток, контекстов, всяких других директив.

Настройка

Для начала нам потребуется эмулятор операционной системы DOS под названием DOSBox. Скачать можно здесь, версия 0.74-3. После установки и запуска вы увидите, что-то похожее на это:

Теперь смонтируем папку (сделаем доступной в досе), в которой будут лежать все наши файлы, утилиты. Для этого в хостовой операционной системе создадим папку в домашней директории пользователя или на рабочем столе. Назовем ее, например, dos. После этого в эмуляторе прописываем следующую команду:

Windows: Z:\> mount c: C:\Users\Username\Desktop\dos

Linux: Z:\> mount c: /home/username/dos

Получаем сообщение Drive C is mounted...Теперь все содержимое папочки dos будет отображаться в диске С: в эмуляторе. Перейти в диск C с диска Z можно командой Z:\>c:. Это действие придется делать каждый раз при запуске эмулятора, поэтому мы можем положить эту команду в файл конфигурации в секцию autoexec. На линуксе файл находится в /home/username/.dosbox. На виндовс C:\Users\Username\AppData\Local\DOSbox. Открываем файл dosbox-0.74-3.conf и в конец прописываем команду монтирования и перехода в диск C вот таким образом:

[autoexec]
# Lines in this section will be run at startup.
# You can put your MOUNT lines here.

mount c: /home/username/dos
c:

Hello world

Напишем первую программу на ассемблере, которая будет выводить на экран избитую фразу hello world:

org 100h

mov ah, 09h
mov dx, message
int 21h
int 20h

message: db 'Hello, world!$'

Вот такая маленькая простая программа исполняет наши нужды. Скомпилировать ее можно с помощью насма следующим образом:

nasm hello_world.asm -o hello_world.com

Бинарный .com файл нужно положить в нашу папочку dos, перезапустить дос или запустить в работующем эмуляторе команду rescan, чтобы дос подхватил изменения. Запустить команду можно, начав вводить первые символы имени файла и нажав Tab. Вводить название файла целиком самостоятельно не стоит, потому что долго и потому что с файлами, у которых в имени больше 8 символов, начинаются проблемы. Регистр букв не важен. После запуска, на экране можно будет увидеть фразу Hello, world!.

Теперь о том, что делает каждая строчка, 1-я строка org 100h это указание компилятору на смещение начала инстукций, будет понятно, что это означает, когда мы рассмотрим устройство .com файла и механизм работы процессора в реальном режиме.

8-я строка содержит метку message: , метки это своего рода переменные, в них помещается адрес текущей инструкции, после компиляции, места, где были ссылки на метки будут заменяться реальными адресами. Двоеточие в метках опционально. Далее идет псевдо-инструкция db (define byte), она не является инструкцией процессора, служит для того, чтобы в текущее место исполняемого файла записать блок данных побайтово. db принимает сколько угодно операндов (аргументов), разделенных запятыми. В нашем случае это один операнд, являющийся строкой из 14 символов (байт), можно было бы записать строку и посимвольно. В конце строки ставится знак $, который дает понять внутренней функции доса, что наступил конец строки. В следующей части поговорим, о том почему у нас данные находятся в конце файла.

3-5 строки подготовка для вызова прерывания 21h и непосредственно сам вызов, прерывание мы обсудим в 3-ей части, в нашем случае это попросту вызов функции операционной системы. В строке 3 мы помещаем число 09h (h значит шестнадцатиричное) в регистр ah. 09h — это номер функции.

В строке 4 записываем в dx адрес начала строки, которую хотим вывести на экран. Теперь понятно зачем нужен $, начало строки дос знает, конец нет.

В строке 5 передаем управление операционной системе с помощью прерывания, по номеру функции дос понимает, что нужно сделать (вывести строку на экран).

В строке 6 используем прерывание 20h для завершения программы, этот способ не совсем корректный, но он простой и хорошо подходит для .com программ.

Не думаю, что стало сильно понятно. Поэтому в следующих частях мы рассмотрим теоретические аспекты: сегментную адресацию памяти, формат файла .com, дебаггер, интерфейс вызовов функций дос, прерывания и снова вернемся к примеру с hello world.

До встречи!