Мнимое время, прерывания и многозадачность

Если вы когда-нибудь играли в компьютерные игры... впрочем, такое начало главы совершенно не подходит для этой книги! Короче говоря, вы наверняка подметили, что все в хороших играх выглядит так, как будто происходит одновременно. Но я уверен, что в 99, 9 процентах случаев это не так! Компьютер просто-напросто делает все настолько быстро, что создается впечатление многозадачности. Эта глава как раз и посвящена примитивным возможностям персонального компьютера по поддержке многозадачности. Кроме того, мы научимся писать «цикл игры», который, собственно, и создаетвпечатление одновременности событий игры.Мы также обсудим некоторые вопросы архитектуры компьютерных игр, относящиеся кразработке и написанию «самодостаточных» функций. В этой главе будут рассмотрены следующие вопросы:

§ Восприятие игры;

§ Многозадачность;

§ Реализация многозадачности при помощи прерываний;

§ Создание обработчиков прерываний на Си;

§ Цикл игры;

§ Автономные функции;

§ Функции ответа;

§ Перепрограммирование системных часов;

§ Объединение компонентов многозадачности в единое целое;

§ Пример обработчика прерываний № 1 - Там полно звезд...

§ Пример обработчика прерывания № 2 - Ловим нажатия клавиш!

Восприятие игры

Человеку, который собрался поиграть в компьютерную игру, хочется чтобы она была интерактивной. В данном случае под словом интерактивная я подразу меваю то, что графическое изображение должно быть четким и быстро сменяться. При этом музыка должна звучать в соответствующем темпе и игра обязана мгновенно реагировать на действия игрока (по крайней мере, с точки зрения играющего). Игроку должно казаться, что все (музыка, графика, звуковые эффекты и т. д.) происходит одновременно. Теперь взглянем на это с точки зрения программиста.

Вообще-то, сделать так, чтобы разные события в игре происходили одновременно, сложно. Персональный компьютер — это не многозадачная система (во всяком случае, не для игр, работающих под управлением DOS). Более того, у персонального компьютера только один процессор. Следовательно, иллюзия реальности или " реального времени" должна создаваться как-то иначе. Этот иной способ опирается исключительно на скорость работы компьютера. Быстродействие компьютера настолько превышает скорость человеческого восприятия, что машина успевает выполнять все операции последовательно, а человеку кажется, что все происходит одновременно.

На самом деле, в компьютерной игре все происходит примерно следующим образом: мы получаем команды пользователя, реагируем на них в соответствии с логикой игры, выводим на экран изображения объектов и озвучиваем происходящие события, затем повторяем все снова и снова. Благодаря тому, что это происходит десятки, если не сотни, раз в секунду, нам удается заставить игрока поверить в существование созданного нами виртуального мира.

Что такое многозадачность?

Многозадачность — это не что иное, как одновременное выполнение нескольких процессов на одном и том же компьютере. Например, Microsoft Windows представляет собой многозадачную операционную систему (некоторые, возможно, возразят мне, что она еще нуждается в некоторых дополнениях для того, чтобы ее можно было назвать настоящей многозадачной системой, однако для нашего случая подобный пример вполне подойдет). При желании в Windows пользователь вслед за одной программой может запустить и другую. Компьютер при обработке данных разбивает каждую секунду на несколько «тиков». Каждый процесс или программа получает в свое распоряжение несколько таких «тиков» работы процессора. По истечении отведенного на эту программу времени процессор переходит к обработке следующей программы и так далее. Так продолжается до тех пор, пока не будут обслужены все выполняющиеся программы, после чего процесс повторяется. Компьютер работает настолько быстро, что пользователю кажется, будто все программы работают одновременно. На рисунке 12.1 показано, как реализуется многозадачность.

При создании компьютерной игры нам незачем заботиться об обеспечении совместной работы нашей игры и, например, текстового процессора. Нас должна Интересовать организация совместной работы различных частей одной программы. Это означает, что нам нужно сделать так, чтобы каждая функциональная часть нашей игры обрабатывалась в течение некоторого времени, причем не слишком долго. (Под функциональной частью в данном случае я понимаю Фрагменты текста программы (подпрограммы), которые осуществляют вывод графического изображения, воспроизведение звука, а также реализуют логику самой игры). После того как каждая подпрограмма по очереди будет обработана, процесс должен повторится с начала, образуя игровой цикл.

Мы можем считать, что отдельная программа на Си, представляющая собой процедуру, вызывающую функциональные части, является своего рода маленьким виртуальным компьютером. При этом каждая из упомянутых функций это не что иное, как отдельная задача, выполняемая в псевдомногозадачном режиме. Отметим, что программа всегда контролирует выполнение функциональных частей, и игра может быть написана таким образом, что исполнение программы и функциональных частей никогда не прерывается другими процессами:

На самом деле это очень удобно: сложные компьютерные игры могут быть написаны и пишутся в виде единой программы безо всяких прерываний. Однако прерывания позволяют реализовать хоть и примитивную, но истинную многозадачность следующим образом;

§ Выполнение программы может прерываться в любой произвольной точке. Состояние машины сохраняется таким образом, чтобы впоследствии можно было возобновить работу программы;

§ После этого управление персональным компьютером передается обработчику прерывания, который представляет собой отдельную законченную программу;

§ После завершения работы обработчика прерывания или процедуры обслуживания прерывания (ISR) возобновляется выполнение программы с того момента, с которого она была прервана.

На рисунке 12.2 показано, как происходит обслуживание прерывания.

Вы можете сказать: «Но зачем нам это нужно?» Поверьте, есть много причин использовать прерывания. Ну, например, допустим, что некоторые данные вводятся в вашу программу с клавиатуры. Возможен вариант, когда пользователь нажмет на клавишу в момент вывода па экран графического изображения. Тогда нажатие клавиши будет проигнорировано. Однако если при нажатии клавиши вызывается процедура обслуживания прерывания, то процессор переключит свою работу на обработку нажатия па клавишу. Таким образом можно быть уверенным, что информация о нажатии на клавишу никогда не будет потеряна.

В случае компьютерных игр нас интересует не столько ввод данных с клавиатуры, сколько синхронизация. Синхронизация для игры - это все. Изображение должно появляться и изменяться в нужный момент. Музыка должна звучать в подходящем темпе. Иногда мы хотим, чтобы то или иное событие произошло через определенный промежуток времени, скажем через 1/30 или 1/60 долю секунды. Без прерываний реализовать это на персональном компьютере сложно, так как понадобится отслеживать время» а это лишняя нагрузка на процессор.

Другая часто возникающая проблема заключается в том, что одна и та же подпрограмма на разных компьютерах будет исполняться с различной скоростью. Это означает, что расчет времени в игре является аппаратнозависимым.

Благодаря использованию прерываний и многозадачности мы решаем и еще одну проблему — освобождаем программу от опроса всех периферийных устройств. Когда игровой цикл не только реализует логику игры, но и должен непрерывно опрашивать состояние последовательного порта, выяснять, не переместилась ли рукоятка джойстика, не нажата ли клавиша на клавиатуре, не кончилось ли воспроизведение музыки — это просто много лишней головной боли.

Мы можем попробовать выделить задачи, которые непосредственно не связаны с выполнением основной программы и реализовать их в виде прерывании. Только не поймите меня превратно. Персональный компьютер не сможет предоставить нам в распоряжение тысячи прерываний на все случаи жизни. На самом деле мы сможем использовать лишь пару прерываний и только в определенных целях.

Если вы уже окончательно запутались, то... для чего же еще нужны друзья как не для того, чтобы помогать? Давайте попробуем вместе разобраться с этой путаной реализацией многозадачности в DOS.

Реализация многозадачности при помощи прерываний

При работе под операционной системой DOS, если и существует какой-нибудь способ, с помощью которого мы можем реализовать многозадачность, так это только использование механизма прерываний. Некоторые прерывания вырабатываются в результате внешних событий, в то время как другие евязаны с событиями внутренними. Для примера, давайте сначала рассмотрим, пожалуй самое популярное прерывание — прерывание от клавиатуры.

Всякий раз, когда происходит нажатие клавиши, ваша программа, что бы она при этом ни делала, останавливается и начинает работать процедура обслуживания прерываний клавиатуры. (Готов спорить, вы и не подозревали, что ваша программа останавливается при каждом нажатии на клавишу, однако это действительно так!) После окончания процедуры обслуживания прерывания управление снова передается вашей программе. Во время всего этого процесса ваша программа, данные и все остальное остается целым и невредимым. Для любой процедуры обслуживания прерываний это Правило Номер Один; без определенной цели ничего не должно уничтожаться. Так, например, если ваша процедура обслуживания прерывания использует для своей работы регистры процессора, вам первым делом следует сохранить содержимое этих регистров, затем осуществить обработку прерывания и снова восстановить содержимое регистров в точно таком же виде, каким оно было до прерывания.

Прежде чем мы начнем разбираться с основными принципами написания и установки обработчика прерываний, давайте взглянем, какие же прерывания есть у персонального компьютера. Посмотрите на таблицу 12.1.

Таблица 12.1. Прерывания ПК.

Таблица 12.1 - это таблица векторов прерываний. Она занимает первые 1024 байт памяти каждого персонального компьютера. Всего в этой таблице 256 элементов, каждый из которых имеет размер 4 байта и представляет собой значение дальнего указателя на процедуру обслуживания прерывания. Как вы могли заметить, персональный компьютер не использует все 256 прерываний. Однако число задействованных прерываний постоянно растет.

Персональный компьютер поддерживает прерывания как на аппаратном, так и на программном уровне. Программные прерывания создаются с помощью расширенного набора инструкций процессора 80х86. Они были разработаны специально для того, чтобы дать возможность не только физическим устройствам мгновенно прерывать исполнение текущей программы. Большинство прерываний на персональном компьютере осуществляются программным путем. Однако некоторые осуществляются только с помощью аппаратуры (к ним относятся немаскируемые прерывания и прерывания от клавиатуры). С точки зрения программиста оба типа прерываний работают одинаково, поэтому нас это деление затрагивать не будет.

Внимание!

При использовании прерываний будьте очень осторожны: вы играете с огнем. Если вы допустите ошибку, компьютер может «зависнуть», что иногда приводит к потере важных данных. Будьте внимательны!

Итак, в соответствии с характером нашей игры мы должны выбрать нужные нам прерывания. Как их выбирать, еще не ясно, но мы разберемся с этим чуть позже. Затем нам нужно будет зарегистрировать (установить) свою собственную процедуру обработки прерываний. Вот, собственно, и все.

Единственное, чего нам не хватает для начала, это самой процедуры обработки прерываний, поэтому давайте разбираться, как она создается на языке Си.

Написание программы обработки прерываний на языке Си

Слава богу, мы можем написать эту программу на языке высокого, уровня. Даже страшно себе представить процесс создания процедуры обработки прерываний чисто на ассемблере. К счастью, современные расширенные компиляторы языка Си имеют специальные ключевые слова, позволяющие написать обработчик прерываний. Более того, Си берет на себя большую часть забот, связанных с организацией входных и выходных данных такой программы. Все что вы полжны сделать, это написать собственно программу обработки прерываний на стандартном Си. Чтобы сделать ее обработчиком прерывания, следует использовать ключевое слово interrupt.

Допустим, мы хотим создать обработчик прерывания, который планируем связать с прерыванием таймера - его номер 0х1С. Начать можно вот так:

void _interrupt _far Timer (void)

{

} // окончание функции timer

Ключевое слово _far необходимо потому, что все прерывания представляют собой 32-разрядные вызовы (смещение и сегмент).

В пределах функции вы можете делать все, что вам заблагорассудится с единственным условием: весь ваш код должен быть рентабельным. Это значит, что вы должны быть крайне осторожны при обращении к функциям DOS или сложным функциям Си типа printf. Я не рекомендую вам использовать в подобных функциях расширения языка Си. О сохранении содержимого регистров можно не беспокоиться: Си-компилятор запоминает содержимое регистров перед началом обработки прерывания и восстанавливает по окончании. Это касается всех регистров за исключением регистра сегмента стека SS. И еще, с целью облегчения доступа к данным при входе в обработчик прерывания регистр DS указывает на глобальный сегмент данных вашей программы, благодаря чему программа обработки прерываний имеет доступ к глобальным переменным. Звучит слишком заманчиво, чтобы быть правдой, однако на самом деле все организовано именно так.

Итак, у нас есть обработчик прерывания, давайте теперь научимся его устанавливать.

Установка обработчика прерывания

Регистрация (или установка) подпрограммы обработки прерываний заключается том, что мы помещаем ее начальный адрес в соответствующее поле таблицы векторов прерываний. Это можно сделать двумя способами:

Мы можем просто изменить адрес прерывания таким образом, чтобы он Указывал на наш собственный обработчик и так все и оставить. Однако при этом, старый обработчик прерывания никогда больше вызываться не будет.

Кроме того, а что произойдет, если прерывание будет сгенерировано именно в тот момент, когда мы будем заниматься заменой адреса в таблице векторов? Р-р-раз и «зависли» — вот что случится! Именно поэтому пусть это действие за вас выполнит DOS при помощи функции _dos_setvect(). Для сохранения старого вектора прерывания следует использовать функцию _dos_getvect(). Обе функции гарантировано изменяют вектора без ущерба для операционной системы;

Очень часто нам требуется расширить функциональные возможности системы без полной замены уже работающих функций. Тогда мы используем цепочку прерываний. Под цепочкой прерывания понимается следующее: мы запоминаем старый адрес процедуры обслуживания прерывания и заменяем его на собственный, затем, по окончании нашей процедуры обработки прерывания, передаем управление старому обработчику. Таким образом, нам удается сохранить чужие обработчики прерываний или резидентные программы - если, конечно, нам это надо!

Взгляните на рисунок 12.3, на котором представлены два способа установки обработчиков прерываний.

Листинг 12.1 демонстрирует установку нашей процедуры обслуживания прерывания timer () (которая по-прежнему ничего не делает).