Емуляція системи портів введення-виведення x86 у Windows (C++)

Цей проєкт реалізує програмну емуляцію системи портів введення-виведення (I/O) архітектури x86 у середовищі Windows на мові C++.

Мета — надати безпечний інструмент для навчання та експериментів з низькорівневим введенням-виведенням без прямого доступу до апаратури та без написання драйверів ядра.

Основна ідея: замість справжніх I/O-портів створюється набір віртуальних портів, які поводяться подібно до апаратних, але існують лише в памʼяті програми.

---

Основні можливості

• Емуляція адресного простору портів x86 (0x0000–0xFFFF).
• Створення віртуальних портів з індивідуальною логікою:
  • порти введення,
  • порти виведення,
  • двонаправлені порти.
• OOП-архітектура:
  • базовий інтерфейс порту (Port);
  • похідні класи для конкретних пристроїв (наприклад, віртуальна клавіатура).
• Централізований менеджер портів:
  • реєстрація/видалення портів,
  • пошук порту за адресою,
  • маршрутизація операцій читання/запису.
• Проміжний рівень обробки операцій (IOHandler):
  • уніфікований інтерфейс для виконання команд введення-виведення;
  • перевірка коректності адреси та значення перед передачею в PortManager;
  • спрощення взаємодії між віртуальними пристроями та механізмом портів;
  • використовується як у CLI-режимі, так і в окремих пристроях (наприклад, VirtualKeyboard).
• Консольний інтерфейс (CLI) для тестування:
  • читання значення порту;
  • запис значення в порт;
  • вивід списку зареєстрованих портів;
  • симуляція натискання клавіш (для віртуальної клавіатури) — якщо реалізовано.
• Можливість розширення новими віртуальними пристроями.

---

Архітектура проєкту

Увага: назви класів/файлів нижче — приклад. Підстав свої реальні назви з коду.

Основні компоненти

• Port

  • абстрактний базовий клас або інтерфейс для всіх віртуальних портів;
  • типово містить:
    • uint16_t address;
    • віртуальні методи:
      • virtual uint8_t read() = 0;
      • virtual void write(uint8_t value) = 0;

• Конкретні порти:

  • KeyboardPort
    Емуляція контролера клавіатури (аналог портів 0x60 / 0x64):
    • внутрішній буфер скан-кодів;
    • методи для "натискання" клавіш із коду (для тестів).
  • (за потреби) GeneralPurposePort, StatusPort, інші класи-емулятори.

• PortManager / Emulator

  • відповідає за:
    • реєстрацію портів: registerPort(std::shared_ptr<Port> port);
    • пошук порту за адресою;
    • високорівневі операції:
      • uint8_t in(uint16_t portAddress);
      • void out(uint16_t portAddress, uint8_t value);

• IOHandler

  • проміжний компонент для виконання операцій введення-виведення;
  • забезпечує:
    • спрощений інтерфейс роботи з портами через методи in() та out();
    • перевірку наявності порту та коректності параметрів;
    • інкапсуляцію роботи PortManager при взаємодії з CLI або віртуальними пристроями;
    • можливість централізовано керувати помилками та логуванням операцій.

• main.cpp

  • точка входу;

  • ініціалізація PortManager та реєстрація необхідних портів;

  • реалізація консольного інтерфейсу:

    • цикл команд: in <addr>, out <addr> <value>, list, exit тощо;
    • демонстраційні сценарії для розділу "Приклади використання".

  • для демонстрації роботи віртуальної клавіатури слід використовувати такий варіант main():

    int main() {
        SetConsoleOutputCP(1251);
        SetConsoleCP(1251);
    
        PortManager manager;
        manager.initialize(256);
        IOHandler io(manager);
        VirtualKeyboard keyboard(io);
    
        std::cout << "Введіть символ для передачі у порт 0x60: ";
        char input;
        std::cin >> input;
    
        keyboard.sendKey(input);   // записуємо символ у порт
        keyboard.readKey();        // зчитуємо назад
    
        return 0;
    }

  • для тестування роботи емулятора у режимі CLI використовується наступний варіант main():

    int main() {
        PortManager manager;
        manager.initialize(256);
        IOHandler io(manager);
    
        std::string command;
        std::cout << "Емулятор портів x86 запущено.\n";
        std::cout << "Команди: OUT <addr> <value>, IN <addr>, STATE, EXIT\n";
    
        while (true) {
            std::cout << "> ";
            std::getline(std::cin, command);
            std::stringstream ss(command);
            std::string op;
            ss >> op;
    
            if (op == "OUT") {
                int addr, val;
                ss >> std::hex >> addr >> std::dec >> val;
                io.out(addr, val);
            } else if (op == "IN") {
                int addr;
                ss >> std::hex >> addr;
                std::cout << "Значення: " << (int)io.in(addr) << "\n";
            } else if (op == "STATE") {
                manager.displayState();
            } else if (op == "EXIT") {
                break;
            } else {
                std::cout << "Невідома команда.\n";
            }
        }
    }