FreeDOS を QEMU で動かす

4. 動作確認

3 で開発環境を整えたので試しにいくつかプログラムを書いてみます。

Hello World

hello.c:

#include <stdio.h>

void main(void)
{
    printf("hello world\n");
}

実行:

> wcl -ecc -ms -fe=hello hello.c
> hello.exe
hello world

アセンブリ言語で C から呼び出せる関数を書く

2 つの int 値を減算するだけの int sub(int x, int y) をアセンブリ言語で定義します。

sub.asm:

.386p

_TEXT  segment byte public use16 'CODE'
       assume cs:_TEXT

;; int sub(int x, int y);
public _sub
_sub   proc near
       push bp
       mov  bp,sp
       mov  ax,[bp+4]
       mov  cx,[bp+6]
       sub  ax,cx
       pop  bp
       ret
_sub   endp

_TEXT  ends
       end

main.c:

#include <stdio.h>

int sub(int x, int y);

void main(void)
{
    int result;

    result = sub(10, 8);
    printf("result = %d\n", result);
}

実行:

> wasm -ms sub.asm
> wcl -ecc -ms -fe=main main.c sub.obj
> main.exe
result = 2

アセンブリ言語の細かいお作法はあまりわかっていないのですが、『はじめて読む 486』のサンプルコードだったり、やりたいことに近い処理を C で書いて wdis で逆アセンブリしたりを参考に何とか書いています。このあたりのまとまった資料として以下は目を通しました。

• Guide to x86 Assembly
• x86アセンブラ/x86アーキテクチャ - Wikibooks

簡易な リアルモード <-> プロテクトモード

最後に『はじめて読む 486』の 4 章末尾にある簡易なリアルモード -> プロテクトモード -> リアルモード移行を行うプログラムを実行してみます。内容としては CR0 レジスタの PE (Protected mode Enabled) ビットを操作するだけです。

必要なファイルは以下の 3 つです。『はじめて読む 486』はサンプルコードが全て GitHub に上げられているようなのでそちらへのリンクを載せておきます。

• PROTO0_A.ASM
• TESTPROT.C
• PROT0.H

実行:

> wasm proto0_a.asm
> wcl -ecc -ms testprot.c proto0_a.obj
> testprot.exe

1 点詰まった点があり、FreeDOS ブートメニューの 1 (FreeDOS with JEMMEX) や 2 (with EMM386) を選択して OS を起動すると、上のプログラム実行時に (恐らくエラーで) リブートがかかるというのがありました。

これが何故か、というのは自信を持って答えられないのですが、1, 2 ではいずれもプログラムを仮想 86 モードで動かすことになってしまい、その場合特権レベル 3 での実行になるので CR0 への操作が失敗する、というように考えています。

仮想 86 モードは本来 MS-DOS 以降の OS が MS-DOS 用のアプリケーションを実行できるように設けられた機能なのですが、MS-DOS でもこれを利用してメモリ管理システムに拡張が加えられていたようです。

MS-DOS のメモリ領域を大別すると (それぞれ 2 番目の名称は『はじめて読む 486』 より)

• コンベンショナルメモリ、MS-DOS メモリ領域 (-640 KB)
• UMA (Upper Memory Area), VRAM・ROM 領域 (640 KB - 1 MB)
• HMA (High Memory Area), プロテクトモードメモリ (1 MB - 1 MB + 64 KB)
• EMB (Extended Memory Block), プロテクトモードメモリ (1 MB + 64 KB - )

のように分けられます。

当初の MS-DOS のメモリ空間は 1 MB までで、また実際にアプリケーションに割り当てられる領域は MS-DOS メモリ領域の 640 KB のみのようです。

この MS-DOS のメモリ空間を拡張するためにいくつか管理方式が存在します。

• XMS (eXtended Memory Specification)
• EMS (Expanded Memory Specification)
• UMB (Upper Memory Block)

これらのうちブートメニュー 1 の JEMMEX は XMS, 2 は EMS 方式を有効にして OS を起動するようで、それぞれの拡張では仮想 86 モードを利用するために作成したプログラムが上手く動かなかったのではと考えています。

(MS-DOS にシステムログみたいのがあればもう少しちゃんとわかりそうだけどあるんだろうか…)

ちなみにこのあたりの HMA, EMS や UMB は『はじめて読む 486』の 11 章 仮想8086モード で触れられているので、それを読みながら少し整理してみます。

HMA

HMA はリアルモードでもアクセスできる領域 (仮想 86 モードは必要ない) であり、

MS-DOS 5.0 からは HMA に DOS 本体を置くことによってアプリケーションソフトウェアの利用できるメインメモリを空けておくことができるようになりました

というように使われたそうです。FreeDOS だと HMA を利用可能にする設定は C:\FDCONFIG.SYS に含まれているのがわかります。

124?DOS=HIGH # HMA に MS-DOS をロードする
234?DEVICE=C:\FDOS\BIN\HIMEMX.EXE # 必要なドライバの有効化

EMS

EMS では VRAM・ROM 領域の一部を使用してハードウェア的に、あるいはソフトウェア的にメモリを拡張します。386 以降では仮想 86 モードを利用した機構を利用してソフトウェア的に実現されるのが主流になりました。プロテクトモードメモリを 16 KB のページ (CPU のページングとは別なので本では EMS ページと呼んでいる) に区画し、VRAM・ROM に確保した EMS ページフレームを通して EMS ページとの読み書きを行います。

使えるメモリ量は大幅に増えると思いますが、アプリケーション側が EMS を知って使わないといけなさそうなのでけっこう辛そうです。

FreeDOS だと C:\FDCONFIG.SYS の以下で有効にしているように見えます。

2?DEVICE=C:\FDOS\BIN\JEEMM386.EXE X=TEST I=TEST I=B000-B7FF NOVME NOINVLPG

UMB

EMS とほぼ同様なのですが、EMS が EMS ドライバソフトウェアを使用して EMS ページフレームと EMS ページのマッピングを切り替えるのに対し、こちらはマッピングが固定になるようです。なので使用可能な領域はそこまで増えないのですが、配置されるプログラムが UMB を知る必要がないので例えばデバイスドライバソフトウェアや常駐型プログラムを配置することで MS-DOS メモリ領域の節約に使われたそうです。

C:\FDCONFIG.SYS では以下のように UMB を有効化しています。

12?DOS=UMB

ということでこれ以降は『はじめて読む 486』のサンプルコードを動かす場合 FreeDOS ブートメニューでは 4 (with some drivers) を選択して実行するようにしました。特に問題なくプログラムは動作できています。