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InterfacesePeriféricosSubsistemadeE/SdoSOe

Drivers

Prof.JoãoPauloA.Almeida([email protected])

IncluislidesdeRobertaLimaGomes

MaterialdidáHco•  Capítulodelivrotexto:AndrewS.Tanenbaum,Modern

Opera+ngSystems,2ªedição,Pren?ce-Hall.Capítulo5:Input/Output.–  Tambémdisponívelemportuguês:SistemasOperacionaisModernos,2a.Edição,Pearson-Pren?ce-HalldoBrasil,2003.

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CamadasdoSoLwaredeE/S

CamadasdosistemadesoLwaredeE/S

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SubsistemadeE/SdoSistemaOperacional

BibliotecasdeE/SInterfacedoSistemaOperacional

(ChamadasdeSistema)

Barramento/Controladores

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BibliotecasdeE/S


InterfacedoSistemaOperacional(chamadasc/interrupçõesemsoLware)

InterrupçõesdeE/Semhardware

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DriversdosDisposiHvos

Independente de dispositivo

Interface padrão

Chamadas de sistema

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Subsistema(SoLware)deEntradaeSaída

•  ObjeHvos–  Fornecerumainterface“amigável”parauHlizaçãodosdisposiHvosdeE/S• UniformizarotratamentodosdisposiHvos• “Esconder”detalhesdemais“baixonível”

–  PermiHrainclusãodenovosdisposiHvos–  FacilitaracorreçãodeerrosgeradospelodisposiHvo

–  ExplorareficientementeosdisposiHvosdeE/S• Desempenho

–  ComparHlhardisposiHvosdeE/S– AlocardisposiHvos–  Escalonarrequisições

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FunçõesdosoLwaredeE/SindependentedediposiHvo

Interface uniforme para os drivers dos dispositivos

Identificação de dispositivo

Proteção de dispositivo

Armazenamento em buffer

Relatório dos erros

Alocação e liberação de dispositivos dedicados

Fornecimento de tamanho de bloco independente de dispositivo

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CamadasdoSub-SistemadeE/S

CamadasdosistemadeE/Seasprincipaisfunçõesdecadacamada

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SoLwaredeE/SIndependentedeDisposiHvo(3)

a)  EntradasemuHlizaçãodebufferb)  UHlizaçãodebuffernoespaçodousuárioc)  UHlizaçãodebuffernonúcleoseguidodecópiaparaoespaçodo

usuário

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Aoperaçãoemredepodeenvolvermuitascópiasdeumpacote

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(a)Semumainterface-padrãododriver(b)Comumainterface-padrãododriver

19 Profa. Roberta L.G. LPRM/DI/UFES

Subsistema(SoLware)deEntradaeSaída(4)

•  SoLwaredeE/Sdeusuário:–  RealizachamadasdealtonívelaosoLwaredeE/SindependentededisposiHvo:

– Wrappersparachamadasdesistema• Abrir/fechararquivo,ler/escreverdados,etc.



•  InterfacedosubsistemadeE/S–  disposiHvos“abstratos”deE/S–  CadarepresentaumaclassededisposiHvosdeE/S

•  DisposiHvos“abstratos”– Orientadoabloco(blockdevice)– Orientadoacaractere(stream,characterdevice)–  Rede

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•  InterfacedosubsistemadeE/S(cont.)– DisposiHvosOrientadoabloco

• Organizadadosemblocosdetamanhofixo• Acessadiretamenteumblocodedados• BlocossãoidenHficadosporendereços(númerodobloco)

–  ex:blocosdedisco• Operaçõesipicas:• open(),read(),write()eclose()•  Disponibilizadasaosusuáriosviasistemadearquivos



•  InterfacedosubsistemadeE/S(cont.)– DisposiHvosOrientadoacaractere

• ControladisposiHvosqueproduzemouconsomemconjuntodedadosdetamanhoarbitrário

• Operaçõesipicas:–  put()eget()[implementadascomopen,read,write]–  ex:teclado,vídeo,mouse,impressora,etc...

• Operaçõesespecíficas(inversãodecores,bip,inicialização,etc)sãofornecidasporumafunçãogenérica–  io_control()



•  InterfacedosubsistemadeE/S(cont.)–  DisposiHvosOrientadoarede

•  ControleeacessoadisposiHvosqueestãofisicamenteinstaladosemoutrosequipamentos

•  Necessárioestabelecimentodeconexões•  Interfaceipicasãosockets•  Operaçõesipicas:

–  open(),close(),create()•  Suporteaserviços:

–  orientadoaconexão:connect(),accept(),read(),write()–  semconexão:send()erecv()



•  SoLwaredeE/SindependentededisposiHvo–  ImplementafunçõesgeraiscomunsatodososdisposiHvos–  AtribuiçãouniformedonomeindependentedodisposiHvo

•  OUNIXéumexemploclássico:–  NomedodisposiHvoéumstring


EntradaeSaídanoUnix•  OUnixmapeiaosdisposiHvosdeentradaesaídaemarquivos

especiais•  DisposiHvoslocalizadosnodiretório/dev

–  /dev/fd0Disquete–  /dev/hda–MestredobarramentoIDE1–  /dev/hdb–EscravodobarramentoIDE1–  /dev/hdc–MestredobarramentoIDE2–  /dev/hdd–EscravodobarramentoIDE2

•  Nocasodediscos,umnúmerointeiroconcatenadoaodisposiHvoindicaaparHção

•  /dev/hda1–PrimeiraparHçãododisposiHvomestredobarramentoide1

ChamadasdeSistema(Linux)%eax Name Source %ebx %ecx %edx

1 sys_exit kernel/exit.c int - -

2 sys_fork arch/i386/kernel/process.c struct pt_regs - -

3 sys_read fs/read_write.c unsigned int char * size_t

4 sys_write fs/read_write.c unsigned int const char * size_t

5 sys_open fs/open.c const char * int int

6 sys_close fs/open.c unsigned int - -

7 sys_waitpid kernel/exit.c pid_t unsigned int * int

8 sys_creat fs/open.c const char * int -

9 sys_link fs/namei.c const char * const char * -

10 sys_unlink fs/namei.c const char * - -

11 sys_execve arch/i386/kernel/process.c struct pt_regs - -

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EsquemasdeEntrada/Saída

•  3esquemasdiferentespararealizaçõesdeE/S:–  1 – E/S Programada com Espera Ocupada (busy wait,polling)

–  2–E/SDirigidaporInterrupção–  3–E/ScomAcessoDiretoàMemória(DMA)

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E/SProgramada(1)

Passosdaimpressãodeumacadeiadecaracteres

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E/SProgramada(2)

EscritadeumacadeiadecaracteresparaaimpressorausandoE/Sprogramada

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E/SOrientadaaInterrupção

•  EscritadeumacadeiadecaracteresparaaimpressorausandoE/Sorientadaàinterrupção

a)  Códigoexecutadoquandoquandoéfeitaachamadaaosistemaparaimpressão

b)  RoHnadetratamentodeinterrupção

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E/SUsandoDMA

•  ImpressãodeumacadeiadecaracteresusandoDMAa)  Códigoexecutadoquandoquandoéfeitaachamadaao

sistemaparaimpressãob)  RoHnadetratamentodeinterrupção

DiscoRígido

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TamanhodeSetor

Buffers…paraescritanoarquivo Buffers

https://lwn.net/Articles/457667/

Opçõesdeopenintopen(constchar*pathname,intflags)•  O_NONBLOCKorO_NDELAY•  Whenpossible,thefileisopenedinnonblockingmode.Neithertheopen()noranysubsequentoperaHonsonthefiledescriptorwhichisreturnedwillcausethecallingprocesstowait.

•  O_SYNC•  ThefileisopenedforsynchronousI/O.Anywrite(2)sontheresulHngfiledescriptorwillblockthecallingprocessunHlthedatahasbeenphysicallywrizentotheunderlyinghardware.

Flush•  #include<stdio.h>•  intfflush(FILE*stream);•  Foroutputstreams,fflush()forcesawriteofalluser-spacebuffereddataforthegivenoutputorupdatestreamviathestream'sunderlyingwritefuncHon.

•  IfthestreamargumentisNULL,fflush()flushesallopenoutputstreams.

•  Notethatfflush()onlyflushestheuserspacebuffersprovidedbytheClibrary.Toensurethatthedataisphysicallystoredondiskthekernelbuffersmustbeflushedtoo,forexample,withsync(2)orfsync(2).

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Sync•  sync()causesallbufferedmodificaHonstofilemetadataanddatatobewrizentotheunderlyingfilesystems.

•  syncfs()islikesync(),butsynchronizesjustthefilesystemcontainingfilereferredtobytheopenfiledescriptorfd.

•  Bugs•  AccordingtothestandardspecificaHon(e.g.,POSIX.1-2001),sync()schedulesthewrites,butmayreturnbeforetheactualwriHngisdone.However,sinceversion1.3.20Linuxdoesactuallywait.(ThissHlldoesnotguaranteedataintegrity:moderndiskshavelargecaches.)

ArHgo•  Relaçãodesempenhonotempoxconfiabilidade(integridadededados)

•  Abstraçãoxrealidadedohardware•  Impactonodesempenhopordiferentespremissas(comoosoLwareassumequeohardwarefunciona)

Perguntas•  Porqueoautordizqueosdiscosesuascontroladores“mentem”?QualéamenHra?

•  Qualéoproblemadeconfiabilidadequeéintroduzidoaotentarmaximizardesempenhonotempo?

•  Qualoproblemaquetagqueueingresolve?Comofunciona?

•  QualoproblemadasimplementaçõesSATAsemNCQ?•  Discutaasconsequênciasdoaumentodotamanhodosetor.Quaissãoasmétricasafetadas?Porque?

A1amenHra•  Paraevitarqueademandasejareprimida(próximasdemandasviriamsomenteapósumarequisiçãosercompletamenteatendida,ousejaatéqueosdadossejamescritosnamídia)ascontroladoresdizemqueosdadosjáforamescritosassimqueosdadosestãonocache(memóriavoláHl)

•  Istofazcomquecrashslevemosistemaaumestadoinconsistente(aplicaçãoachaquejáescreveu,masdadosnãoforamescritos)

•  ÉistoqueelechamademenHra:asubversãoda“semânHca”doflush

•  DopontodevistadedesempenhoéposiHvo,gerandopipeline

Tagqueueing •  PermitemúlHplasrequisiçõessimultaneamente•  Cadaumaéconfirmadaindependentementequandoforescritaemdisco

•  Pipelineépossível•  Escalonamentoeficienteépossível(acessarossetoresmaispróximosantesconsiderandoarotaçãododisco)–  Pensenoelevador

NaHveCommandQueueing

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AumentodoTamanhodoSetor Escritaleva2voltasnodisco

CiclodevidadeE/S•  Comoosdriverssãocarregados?

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(ChamadasdeSistema)


BIOS

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(ChamadasdeSistema)


BIOS

BIOS=BasicInput/OutputSystem•  DisponívelemROMouFLASH(firmware)•  Bootstrapping

–  BIOSrecebecontrole–  Endereço�sico000FFFF0h

•  Power-OnSelfTest(POST)•  Configuraçãobásicadecontroladores•  CargadoSistemaOperacional

–  OudeumBootLoaderdesegundonível–  LILO,bootfromnetwork,SCSI,USB

•  Fornecidopelosprodutoresdeplacamãe•  hzp://en.wikipedia.org/wiki/BIOS•  hzp://www.embeddedarm.com/Manuals/EBIOS-UM.PDF

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POST•  PrincipaisaHvidadesdurantePOST:

– VerificaintegridadedaBIOS(updatesflash)– Verificaamemória– Descobrir,inicializarecatalogarbarramentosedisposiHvos

–  Proverinterfacec/usuárioparaconfiguração–  IdenHficareselecionardisposiHvosparaboot–  Construirambienteparacargadosistemaoperacional

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Phoenix_-_AwardBIOS_CMOS_Setup_Utility.jpg

BIOS=BasicInput/OutputSystem•  Usadoparaentradaesaídabásicaduranteosprocedimentosdebooteconfiguraçãodehardware

•  Etambémduranteaexecuçãodesistemasoperacionaismaissimples(DOSporexemplofaziausoextensivodaBIOSparaentradaesaída)–  ParaissoaBIOSofereciaumainterfacesimilaràinterfacedosSistemasOperacionais

– UsandointerrupçõesdesoLware– Usandoatabeladevetoresdeinterrupção

InterrupçõesdeSoLware

•  InterrupçõesdesoLwarepodemseraHvadasporsoLware•  InstruçãoINT<número-interrupção>

–  ACPUentãousaestenúmeroparaindexarumatabelade256entradas(vetordeinterrupções)paraencontraroendereçodaro?nadetratamentodeinterrupçãoaserexecutada

–  Vetordeinterrupçõesseencontranoendereço0•  256x4bytes

•  DoisHposdeinterrupções–  InterrupçõesdoSistemaOperacional(DOS,Linux,etc.)

–  InterrupçõesdaBIOS•  ParagerarinterrupçõesdoDOSuse:INT21h•  ParagerarinterrupçõesdoLinuxuse:INT80h

ChamadasdeSistema•  INT21h–DOS/Windows(16-bits)

– Quandousamosestainstrução,oDOSchamaumaroHnadetratamentoespecífica,dependendodoHpodeinterrupção

– OHpodeinterrupçãoserádefinidoemfunçãodovalorqueesHverarmazenadonoregistradorAL

•  INT80h–Linux–  hzp://asm.sourceforge.net/

•  INT11h-1ah–BIOS–  ChamadopeloDOS

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Interrupções…nãoconfundir!InterfacedoSistemaOperacional

(chamadasc/interrupçõesemsoLware)

InterrupçõesdeE/Semhardware

BIOS

InterfacedoBIOS(chamadasc/interrupçõesemsoLware)

Natabeladeinterrupçõesestátudomisturado!

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TabeladeInterrupção(IVT)Interrupt Description

INT 00h CPU: Division by Zero

INT 01h CPU: Single Step for debugging

INT 02h CPU: NMI, used e.g. by POST for memory errors (Power-On Self Test)

INT 03h CPU: Breakpoint for debugging

INT 04h CPU: Numeric Overflow

INT 05h Print Screen

INT 08h IRQ0: Called by system timer 18.2 times per second

INT 09h IRQ1: Called by keyboard

INT 0Bh IRQ3: Called by 2nd serial port COM2

INT 0Ch IRQ4: Called by 1st serial port COM1

INT 0Dh IRQ5: Called by hard disk controller (PC/XT) or 2nd parallel port LPT2 (AT)

INT 0Eh IRQ6: Called by floppy disk controller

INT 0Fh IRQ7: Called by 1st parallel port LPT1 (printer)

Em vermelho as interrupções de E/S de hardware

TabeladeInterrupção

INT 70h IRQ8: Called by RTC INT 74h IRQ12: Called by mouse INT 75h IRQ13: Called by math coprocessor INT 76h IRQ14: Called by primary IDE controller INT 77h IRQ15: Called by secondary IDE controller


INT 10h Video Services (ROM BIOS Extension on VGA controller)

AH=00h Set Video Mode AH=01h Set Cursor Shape AH=02h Set Cursor Position

AH=03h Get Cursor Position And Shape

AH=04h Get Light Pen Position AH=05h Set Display Page AH=06h Clear/Scroll Screen Up

AH=07h Clear/Scroll Screen Down

AH=08h Read Character and Attribute at Cursor

AH=09h Write Character and Attribute at Cursor

AH=0Ah Write Character at Cursor

AH=0Bh Set Border Color

AH=0Eh Write Character in TTY Mode

AH=0Fh Get Video Mode AH=13h Write String

TabeladeInterrupção(facilidadesBIOS)•  INT11h–Equipamentosinstalados

–  Onreturnfromint11h,theAXregistercontainsabit-encodedequipmentlistwiththefollowingvalues:

–  Bit0Floppydiskdriveinstalled–  Bit1Mathcoprocessorinstalled–  Bits4,5IniHalvideomode00-none01-40x25color10-80x25color11-

80x25b/w–  Bits6,7Numberofdiskdrives–  Bit8DMApresent–  Bits9,10,11NumberofRS-232serialcardsinstalled–  Bit12GameI/Ocardinstalled–  Bit13Serialprinterazached–  Bits14,15Numberofprintersazached.

•  INT12h–Indicaamemóriadisponível– ValoremAX:qualoproblema?

TabeladeInterrupção(facilidadesBIOS)Interrupt Description

INT 13h Low Level Disk Services

AH=00h Reset Disk Drives

AH=01h Check Drive Status

AH=02h Read Sectors From Drive

AH=03h Write Sectors To Drive

AH=04h Verifies Sectors On Drive

AH=05h Format Track On Drive

AH=08h Get Drive Parameters

AH=09h Init Fixed Drive Parameters

AH=0Ch Seek To Specified Track

AH=0Dh Reset Fixed Disk Controller

AH=15h Get Drive Type

AH=16h Get Floppy Drive Media Change Status

•  http://en.wikipedia.org/wiki/BIOS_call

TabeladeInterrupçãoINT 14h Routines for communicating via the serial port. Used

by software programs. AH=00h Serial Port Initialization AH=01h Transmit Character AH=02h Receive Character AH=03h Status

INT 15h Miscellaneous AH=4FH Keyboard Intercept AH=83H Event Wait AH=84H Read Joystick AH=85H Sysreq Key Callout AH=86H Wait AH=87H Move Block

AH=88H Get Extended Memory Size

AH=C0H Get System Parameters

AH=C1H Get Extended BIOS Data Area Segment

AH=C2H Pointing Device Functions

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INT 16h Implemented by the BIOS or operating system. Provides routines to be called by software programs which communicate with the keyboard.

AH=00h Read Character AH=01h Read Input Status

AH=02h Read Keyboard Shift Status

AH=10h Read Character Extended

AH=11h Read Input Status Extended

AH=12h Read Keyboard Shift Status Extended

INT 17h Print Services - used by software programs to communicate with the printer

AH=00h Print Character to Printer AH=01h Initialize Printer AH=02h Check Printer Status

...emaistabeladeinterrupçãoINT 19h After POST this interrupt is used by BIOS to load the

operating system.

INT 1Ah Real Time Clock Services - called by software programs to communicate with the RTC

AH=00h Read RTC AH=01h Set RTC AH=02h Read RTC Time AH=03h Set RTC Time AH=04h Read RTC Date AH=05h Set RTC Date AH=06h Set RTC Alarm AH=07h Reset RTC Alarm

InterrupçõesdeSoLware(DOS)

•  INT21h(Entrada:AH<-01h,Saída:caracter->AL)–  LêumcaracterdaconsoleecolocaoseucódigoASCIInoregistradorAL–  ComogeraresteHpodeInterrupção

1.  Copieovalor08hdentrodoregistradorAH2.  Chameainstrução“INT21h”

Apósestachamada,assimquefordigitadoumcaracter,seucódigoASCIIserácolocadodentrodeAL

•  INT21h(Entradas:AH<-02h,DL<-caracter)–  Imprimeocaracterouoexecuta,sefordoHpobeep,linefeedou

assemelhados–  ComogeraresteHpodeInterrupção

1.  Copieovalor02hdentrodoregistradorAH2.  CopieocódigoASCIIdocaracterquedesejaimprimirdentrodoregistrador

DL3.  Chameainstrução“INT21h”

Arquivo.com(DOS,16-bit);hi.asm-simple"helloworld"program;assemblewith"nasm-fbin-ohi.comhi.asm"org100h;informNasmthisisa.comfile ;int21hisgoingtowant...movdx,msg;theaddressoformessageindxmovah,9;ah=9-"printstring"sub-funcHonint21h ;calldosservicesmovah,4Ch;"terminateprogram"sub-funcHonint21h;calldosservicesmsgdb'Hello,World!',0Dh,0Ah,'$';$-terminatedmessage

TabeladeChamadasdeSistema(DOS)AH Description AH Description

01 Read character from STDIN 02 Write character to STDOUT

05 Write character to printer 06 Console Input/Output

07 Direct char read (STDIN), no echo 08 Char read from STDIN, no echo

09 Write string to STDOUT 0A Buffered input

0B Get STDIN status 0C Flush buffer for STDIN

0D Disk reset 0E Select default drive

19 Get current default drive 25 Set interrupt vector

2A Get system date 2B Set system date

2C Get system time 2D Set system time

2E Set verify flag 30 Get DOS version

35 Get Interrupt vector

36 Get free disk space 39 Create subdirectory

3A Remove subdirectory 3B Set working directory

3C Create file 3D Open file

3E Close file 3F Read file

40 Write file 41 Delete file

42 Seek file 43 Get/Set file attributes

47 Get current directory 4C Exit program

4D Get return code 54 Get verify flag

56 Rename file 57 Get/Set file date

Exemplosdechamada(DOS)•  AH=05h-WRITECHARACTERTOPRINTER•  Entry:DL=charactertoprint•  Notes:•  keyboardcheckedfor^C/^Break•  STDPRNisusuallythefirstparallelport,butmayberedirectedunderDOS2+

•  iftheprinterisbusy,thisfuncHonwillwait

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Exemplosdechamada(DOS)•  AH=06h-DIRECTCONSOLEOUTPUT•  Entry:DL=character(exceptFFh)•  Return:AL=characteroutput•  Notes:doesnotcheck^C/^Break•  SeeAlso:AH=02h,AH=09h

Exemplosdechamada(DOS)•  AH=06h-DIRECTCONSOLEINPUT•  Entry:AH=06hDL=FFh•  Return:•  ZFsetifnocharacteravailableandAL=00h•  ZFclearifcharacteravailableAL=characterread•  Notes:•  ^C/^BreakareNOTchecked•  ifthereturnedcharacteris00h,theuserpressedakeywithanextendedkeycode,whichwillbereturnedbythenextcallofthisfuncHon

Exemplosdechamada(DOS)AH=01h-READCHARACTERFROMSTANDARDINPUT,WITHECHO

Return:AL=characterreadNotes:^C/^Breakarechecked^PtogglestheDOS-internalecho-to-printerflag^Zisnotinterpreted,thusnotcausinganEOFifinputisredirectedcharacterisechoedtostandardoutput

Exemplosdechamada(DOS)•  AH=02h-WRITECHARACTERTOSTANDARDOUTPUT•  Entry:DL=charactertowrite•  Return:AL=lastcharacteroutput•  Notes:•  ^C/^Breakarechecked•  thelastcharacteroutputwillbethecharacterinDLunlessDL=09honentry,inwhichcaseAL=20hastabsareexpandedtoblanks

•  ifstandardoutputisredirectedtoafile,noerrorchecks(write-protected,fullmedia,etc.)areperformed

Exemplosdechamada(DOS)•  AH=09h-WRITESTRINGTOSTANDARDOUTPUT•  Entry:DS:DX->'$'-terminatedstring•  Return:AL=24h•  Notes:^C/^Breakarechecked

Exemplosdechamada(DOS)•  AH=2Ah-GETSYSTEMDATE•  Return:CX=year(1980-2099)DH=monthDL=dayAL=dayofweek(00h=Sunday)

•  AH=2Bh-SETSYSTEMDATE•  Entry:CX=year(1980-2099)DH=monthDL=day•  Return:•  AL=00successful•  FFhinvaliddate,systemdateunchanged

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Exemplosdechamada(DOS)•  AH=39h-"MKDIR"-CREATESUBDIRECTORY•  Entry:DS:DX->ASCIZpathname•  Return:•  CFclearifsuccessfulAXdestroyed•  CFsetonerrorAX=errorcode(03h,05h)Chequemhzp://spike.scu.edu.au/~barry/interrupts.html#ah01paraumalistacompleta

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