DOS-Extender

Als DOS-Extender bezeichnet man Programme für MS-DOS bzw. dazu kompatibles DOS (wie PC DOS oder DR-DOS), die den Protected Mode verwenden. Dieser steht bei der x86-Architektur ab dem Intel 80286 (16-Bit-Protected-Mode) und 80386 (zusätzlich 32-Bit-Protected-Mode) neben dem bisherigen Real Mode zur Verfügung. Da PC-kompatibles DOS ein Real-Mode-Betriebssystem ist, sind DOS-Programme grundsätzlich ebenfalls auf diesen Modus beschränkt, und damit auch auf den konventionellen Speicher von 640 KiB. Mithilfe eines DOS-Extenders allerdings können DOS-Programme nicht nur im Protected Mode laufen, sondern vor allem haben sie direkten Zugriff auf den erweiterten Speicher, womit diese Limitierung wegfällt.

Die bekanntesten Standards für DOS-Extender sind VCPI und DPMI. Anfang der 1990er Jahre etablierte sich durchwegs DPMI, weil es mit den DOS-basierten Windows-Versionen ab Windows 3.x und mit OS/2 voll kompatibel ist.

Geschichte

In 86-DOS, das ab 1981 als PC DOS mit dem IBM PC, Modell 5150, der die PC-Plattform begründet, und mit MS-DOS vermarktet wurde, steht nur 1 MiB Adressraum zur Verfügung. Dieses Limit ist auf den im IBM PC verwendeten 8088-Prozessor zurückzuführen, einer 16-Bit-Architektur mit 8-Bit-Daten- und 20-Bit-Adressbus, wo dieser als Arbeitsspeicher auf 640 KiB für Betriebssystem und Programme und 384 KiB für den Zugriff auf Geräte wie das BIOS oder den Grafikspeicher aufgeteilt wurde. Dadurch steht auf IBM-PC-Kompatiblen unter DOS nur 640 KiB „Konventioneller Speicher“ zur Verfügung.

Mit dem IBM PC/AT verwendete IBM Ende 1984 erstmals einen 80286-Prozessor, bei dem Intel mit dem Protected Mode einen zusätzlichen Betriebsmodus hinzugefügt hatte. Da DOS jedoch für den 8086/8088 geschrieben worden war, lief es auch auf dem PC/AT im retronym mit Real Mode bezeichneten Modus des 8086 und machte vom neuen Betriebsmodus keinen Gebrauch. Im Protected Mode kann der gesamte Speicher adressiert werden, beim 80286 sind dies 16 MiB, allerdings ist die Adressierung immer noch segmentiert. Bereits im darauffolgende Jahr, 1985, stellte Intel mit dem 80386 den ersten 32-Bit-x86-Prozessor vor, dessen Protected Mode im 32-Bit-Modus bis zu 4 GiB Arbeitsspeicher linear adressieren kann.

Da der Protected Mode und der „Erweiterte Speicher“ (englisch extended memory) für Anwendungsprogramme unter DOS brach lag, wurden Ende der 1980er Jahre die ersten „MS-DOS-Extender“ angeboten, die einzelnen dafür programmierten DOS-Programmen den Protected Mode exklusiv zugänglich machten.

Technik

DOS-Extender ermöglichen Programme, die mehr Speicher nutzen können, als PC-kompatibles DOS eigentlich bereitstellen kann. Nur ein Protected-Mode-DOS-Programm ist von der Beschränkung auf den konventionelle Speicher befreit und kann im erweiterten Speicher Programmcode und Daten verarbeiten. Dazu stellen DOS-Extender Mechanismen bereit, kontrolliert zwischen Real Mode und Protected Mode zu wechseln. Die Notwendigkeit dafür entstammt der Architektur von MS-DOS: als 16-Bit-Betriebssystem nutzt es auf dem IBM PC viele Funktionen dessen Systemfirmware, des BIOS. Sowohl die BIOS-Routinen als auch die DOS-Funktionen sind nur im Betriebsmodus des 8086 (bzw. 8088) – dem Real Mode – verfügbar. DOS-Programme müssen also grundsätzlich, um diese System-Funktionen ansprechen zu können, im selben Modus laufen. Ein Programm, das im Protected Mode läuft, muss daher für die BIOS- und DOS-Funktionen in den Real Mode zurück wechseln – oder alle Funktionen, die eigentlich vom Betriebssystem (im Falle von DOS beinhaltet dies auch die BIOS-Funktionen) zur Verfügung gestellt werden, selbst implementieren.

Bei der Verwendung von DOS-Extendern soll sich der Aufwand für die Entwickler und Programmierer möglichst gering halten, denn für das DOS-Programm, das im Protected Mode laufen soll, ändert sich vorerst nichts: es ruft wie gewohnt die Funktionen von DOS und dem BIOS auf – der DOS-Extender kümmert sich um den kontrollierten Wechsel in den Real Mode, und anschließend zurück in den Protected Mode, wo die Ausführung des eigentlichen Programms stattfindet.

DOS-Extender haben gegenüber größeren Betriebssystemen wie PC-Unix oder OS/2, die von sich aus den Protected Mode bieten, den Vorteil, dass sie insgesamt, mit dem Betriebssystem und dem eigentlichen Anwendungsprogramm, mit weniger Arbeitsspeicher auskommen. Auf IBM-PC-kompatiblen Computern mit 80386 profitieren DOS-Programme zusätzlich von der neuen 32-Bit-Architektur IA-32, was der Performance zugutekommt, solange sie im Protected Mode verbleiben. Die allgemeine Verbesserung der Performance wurde insbesondere mit der Einführung eines linearen Speicherzugriffs aus dem Protected Mode bei den VESA BIOS Extension (VBE) der Version 2.0 auf den VRAM der Grafikkarte deutlich, was beispielsweise einige Computerspiele beschleunigte. Sobald jedoch DOS- und BIOS-Funktionsaufrufe erforderlich sind, ist meist ein Kontextswitch (ein Wechsel des Betriebsmodus) in den Real Mode erforderlich, was vergleichsweise viele Prozessorzyklen in Anspruch nimmt und daher Zeit kostet. Um derartige Wechsel zu minimieren, reimplementieren manche DOS-Extender ausgesuchte BIOS- und DOS-Funktionen im Protected Mode. DOS-Extender werden daher manchmal auch mit einer Art Mini-Betriebssystem verglichen, denn auch alle 32-Bit-PC-Betriebssysteme haben keinen Zugriff auf die BIOS-Funktionen und müssen deren Funktionalität im Protected Mode neu implementieren.

Diverse Compiler für DOS der späteren 1990er Jahre bieten die Option, Protected-Mode-Programme zu erzeugen. Damit diese unter DOS ausführbar sind, muss ein DOS-Extender mitgeliefert werden. Anfangs machten vor allem Business-Programme vom Protected Mode Gebrauch, beispielsweise AutoCAD und Lotus 1-2-3. In den 1990er Jahren stach der Watcom C/C++ Compiler besonders hervor, da er mit DOS/4GW einen günstigen DOS-Extender mitlieferte, der für kommerzielle Programme lizenzfrei verwendet werden durfte und somit schnell, insbesondere in der Computerspielbranche, Verbreitung fand. Eines der ersten und bekanntesten DOS-Spiele, das den 32-Bit-DOS-Extender DOS/4GW nutzt, ist DOOM.

Standardisierung

In der zweiten Hälfte der 1980er Jahre entstanden unterschiedliche, zueinander nicht kompatible DOS-Extender. Ein erster erfolgreicher Versuch einer Standardisierung ist das Virtual Control Program Interface, kurz VCPI, das von Phar Lap und Quarterdeck ab 1987 entwickelt wurde. VCPI setzt jedoch einen i386 voraus und ist mit dem 80286 nicht kompatibel.

Beispiele für DOS-Extender vor VCPI:

• 286|DOS-Extender und 386|DOS-Extender von Phar Lap Software
• DOS/16M von Rational Systems (später Tenberry Software; weiterentwickelt zu DOS/4G und die Version für den Watcom C/C++ Compiler DOS/4GW)
• OS/286 und OS/386 von A. I. Architects
• X-AM von Intelligent Graphics Corp. (IGC)

Die DOS-Extender zu dieser Zeit liefen exklusiv und waren mit (kooperativen) Multitasking-Erweiterungen wie DESQview und Windows 3.x nur eingeschränkt kompatibel. Die Zusammenarbeit von Quarterdeck mit Phar Lap schuf zwar den VCPI-Standard, mit dem DESQview voll kompatibel war, aber in Windows 3.0 wurde für den 80386 ein neuer Betriebsmodus eingeführt: der „386 Erweiterte Modus“ bzw. „Enhanced Mode“. Anders als beim 80286 bietet der 80386 einen Virtual 86 Mode, in dem Windows DOS-Programme parallel und mit eigenem Adressraum zur Ausführung bringen kann. Das erlaubt transparentes Multitasking für DOS-Programme. Gleichzeitig gab es zu dieser Zeit bereits zahlreiche Protected-Mode-DOS-Programme, die in diesem Modus nicht funktionieren.

Obwohl Windows 3.0 im 8086-kompatiblen „Real Mode“ und im 80286-kompatiblen „Standard Mode“, die beide auch weiterhin auf dem 80386 funktionieren, mit den bisherigen DOS-Extendern kompatibel bleibt, war Microsoft klar, dass ein neuer und auch mit dem „Enhanced Mode“ kompatibler DOS-Extender entwickelt werden müsste, damit der Vorteil des 80386 – dessen Virtual 86 Mode – in der Realität nicht zu einem Nachteil werden würde. Das DOS Protected Mode Interface (DPMI) wurde daher nicht nur in Windows 3.0 und OS/2 2.0 integriert, sondern auch als freie Spezifikation veröffentlicht. Da die Hersteller der DOS-Extender DPMI übernahmen, konnten die Entwickler existierender Protected-Mode-DOS-Programme, die diese DOS-Extender nutzten, ihre Produkte von VCPI- in DPMI-kompatible Programme weiterentwickeln, die somit auch unter Windows und OS/2 die volle Stärke des 80386 und nachfolgender IA-32-Prozessoren wie dem 80486 nutzen konnten.

DPMI wurde der bekanntesten Standard für DOS-Extender und in den 1990er Jahren zum Industriestandard. Da zur gleichen Zeit immer nur ein DOS-Extender aktiv sein kann, schließlich verwaltet er sowohl den Speicher als auch die Kontextwechsel vom Protected Mode in den Real Mode und zurück, sind DOS-Extender nach DPMI- und VCPI- und frühe proprietäre Spezifikationen zueinander inkompatibel. Wenn ein DPMI-fähiger DOS-Extender läuft, können somit nur DPMI-Clientprogramme ausgeführt werden. Soll ein Programm gestartet werden, dass der VCPI-Spezifikation folgt, so muss der DPMI-DOS-Extender beendet und ein VCPI-fähiger DOS-Extender gestartet werden. Viele DOS-Extender nutzen daher jene Umgebung, die beim Start bereits vorhanden ist; am Beispiel PMODE:

• findet der DOS-Extender PMODE einen DPMI-Host, so reicht er alle Aufrufe durch; das 32-Bit-DOS-Programm, das PMODE als DOS-Extender nutzt, läuft denn in Wirklichkeit auf dem bereits vorhandenen DPMI-DOS-Extender (wie z. B. Windows 3.x)
• bei vorhandenem Speichermanager, neben EMM386 auch etwa QEMM oder 386Max, startet PMODE im VCPI-Modus, weil die Ausführung im Ring 0 schneller ist als im Ring 3 von DPMI
• läuft DOS ohne einen DPMI-Host oder VCPI-Server, ist aber ein Speichermanager für Extended Memory (XMS) geladen – wie z. B. HIMEM.SYS – so nutzt PMODE diesen für die Verwaltung von Erweitertem Speicher; PMODE läuft in diesem Fall in seinem eigenen Modus (weder VCPI, noch DPMI), um einem 32-Bit-DOS-Programm den Protected Mode zu bieten.
• fehlt ein XMS-Speichermanager (HIMEM.SYS), so läuft PMODE im „raw mode“: in diesem Fall übernimmt der DOS-Extender auch die Speicherverwaltung für den Erweiterten Speicher (XMS) selbst

Bekannte DOS-Extender

DOS-Extender finden sich oft in integrierten Entwicklungsumgebungen für DOS, OS/2 und Windows, aber auch als stand-alone:

• verschiedene Borland-Compiler (u. a. Borland Pascal 7.0) eingesetzte RTM.EXE (16-Bit) und RTM32.EXE (32-Bit, nur noch in Turbo C)
• DOS4GW.EXE (bei Watcom C/C++ mitgeliefert, sehr beliebt bis 1995, danach Entwicklung eingestellt, heute obsolet)
• PMODE/W
• Causeway
• DOS/32A (kompatibel zu DOS4GW.EXE, letzte Version 9.12 von 2006)
• HX DOS Extender – HDPMI16 (16-Bit) und HDPMI32 (32-Bit)
• CWSDPMI (Bestandteil von DJGPP, dort auch als GO32 bezeichnet.)
• PMODE/DJ
• WDOSX
• TNT DOS-Extender SDK von Phar Lap
• 386|DOS-Extender SDK von Phar Lap
• emx von Eberhard Mattes
• Zortech C++

Die meisten Implementierungen können sowohl VCPI als auch DPMI als Client verwenden, wenn diese als Server (VCPI) bzw. Host (DPMI) bereits geladen sind. Ansonsten nutzen DOS-Extender meist eine eigene Programmierschnittstelle, die nicht zwingend mit anderen DOS-Extendern kompatibel ist – normalerweise lässt sich ein Protected-Mode-Programm für DOS daher nicht mit einem beliebigen anderen DOS-Extender nutzen.