Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е]

Обобщение битов состояний. Пример с клавиатурой иллюстрирует протокол обработки бита состояния; однако протокол настолько прост, что у вас может создаться неправильное представление об этом предмете. На самом деле интерфейс внешнего устройства несколько сложнее, как правило он предусматривает несколько флагов для фиксации различных условий. Например, в интерфейсе ленточного магнитофона вам, как правило, надо иметь следующие биты состояний: начало ленты, конец катушки, ошибка четности, движение ленты и т. д. Традиционная процедура заключается в том, чтобы свести все биты состояний в один байт или слово так, чтобы сразу считать все биты из регистра состояний с помощью команды ввода данных IN. Обычно надо назначить бит, показывающий наличие любой из ошибочных ситуаций, старшему разряду слова состояний с тем, чтобы простая проверка знака сигнализировала бы о наличии какой-нибудь ошибки; если это обнаруживается, можно проверять отдельные разряды слова (накладывая маску с помощью логической функции «И») для выявления конкретной ошибки. Более того, в сложных интерфейсах, возможно, не требуется, чтобы биты состояния сбрасывались «автоматически», как это происходило с единственным битом в нашем примере; вместо этого можно воспользоваться командой вывода данных, каждый бит которых сбрасывает соответствующий флаг.

Упражнение 10.3. У нашего интерфейса клавиатуры нет средства, позволяющего компьютеру определить, был ли пропущен символ. Измените схему так, чтобы она использовала два бита состояний: «готовность символа» (это у нас уже есть) и «потеря данных». Флаг «потеря данных» должен устанавливаться на линии D6 того же порта состояний, что и «готовность символа»; флаг «потеря данных» должен становиться равным единице, если клавиша была нажата до того, как предыдущий символ был считан компьютером, в остальных случаях он должен быть равен нулю.

Упражнение 10.4. Дополните программу 10.4 блоком проверки потерянных данных. Это должно осуществляться вызовом подпрограммы с именем LOST в тех случаях, когда флаг «потеря данных» установлен равным единице; в остальных случаях программа должна работать как и раньше.

Только что проиллюстрированное использование флагов состояний является одним из трех способов, используемых внешним устройством для того, чтобы «намекнуть» компьютеру на необходимость выполнения каких-то действий. Хотя во многих простых случаях этого вполне достаточно, имеется серьезный недостаток в том, что внешнее устройство не может само объявить о необходимости выполнения каких-то действий — оно должно ждать до тех пор, пока ЦП не опросит его посредством считывания содержимого регистра состояния командой IN. Устройствам, которым требуется быстродействие (такие, как диски или другие, чья работа предусматривает ввод-вывод в реальном масштабе времени), необходим частый опрос флагов состояний, и в компьютерной системе с несколькими подобными устройствами ЦП вскоре обнаружит себя проводящим основное время за проверкой флагов состояний, как в последнем примере.

Более того, даже при постоянно выполняемой проверке флагов состояний у вас еще остается повод для беспокойства. В частности, в последнем примере ЦП будет успевать вводить символы, набираемые на клавиатуре, если он находится в главном цикле проверки флагов. Но что, если ЦП затратит 1/10 секунды в той части алгоритма, которая обеспечивает обработку строки? Или дисплей медленный и заставляет программу ждать, пока сбросится флаг занятости? Все, что в таких случаях необходимо, это — механизм, позволяющий внешнему устройству прервать обычный порядок работы ЦП в тех случаях, когда надо что-нибудь сделать. Затем ЦП может проверить регистр состояния для того, чтобы определить, чем вызвано беспокойство, аккуратно сделать то, что положено и вернуться к нормальной работе.

Для того чтобы дополнительно использовать потенциальные возможности прерываний в компьютере, необходимо добавить несколько новых сигналов на магистрали: по крайней мере, одна обобщенная линия для передачи прерываний от внешних устройств и (обычно) пара линий, с помощью которых ЦП может определить, какое устройство выдало сигнал прерывания. К сожалению, пример с IBM PC не очень удачен, так как эта машина не использует всех возможностей прерываний. Однако недостаток гибкости более чем компенсируется простотой; реализация аппаратных прерываний в периферийных устройствах PC проще пареной репы.

Теперь о том, как это все работает: магистраль PC имеет набор из 6-ти линий для передачи сигналов запросов прерываний, именуемых IRQ2-IRQ7. Эти линии используют положительную логику и подключены к схемам обрамления ЦП (в частности, к контроллеру прерываний типа 8259). Для того чтобы возбудить прерывание, вы просто устанавливаете на одной из линий высокий уровень сигнала. Если прерывания разрешены (в том числе и то конкретное IRQ, которое вы выбрали), ЦП после завершения очередной команды прерывает выполнение программы, а затем (после сохранения в стеке флагов и текущего указателя команд) переходит к программе обработчика прерывании, расположенной где-то в памяти.

В обработчике вы предусматриваете любые требуемые действия (например, чтение данных с клавиатуры), и поместить его вы можете где угодно по своему усмотрению; ЦП выясняет, по какому адресу надо совершить переход, анализируя 4-байтовый адрес обработчика, расположенный в выделенной области в начале памяти. Адрес этой области зависит от выбранного IRQ; для МП 8086 16-ричное значение этого адреса вычисляется по формуле 20 + 4n, где n-уровень прерывания. Например, ЦП будет реагировать на прерывание IRQ2 посредством перехода по 4-байтовому адресу, который хранится в ячейках памяти с адреса 28Н по 2ВН (это похоже на косвенную адресацию, с той лишь разницей, что адрес располагается в памяти, а не в регистре); конечно, начальные адреса ваших обработчиков прерываний следует заранее поместить в память. В конце обработчика надо выполнить команду IRET, которая обеспечит восстановление предварительно сохраненного содержимого регистра флагов и передачу управления обратно в точку вызова.

Проиллюстрируем это, добавив в схему интерфейса клавиатуры прерывания (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Интерфейс клавиатуры с прерываниями.

Мы оставили флаг «символ готов» и схему программируемого ввода-вывода практически без изменений, за исключением того, что сигнал сброса флага включен по схеме «ИЛИ» с новым сигналом магистрали RESET DRV, который является выходным для ЦП, он на короткое время устанавливается в высокое состояние при включении компьютера. Обычно этот сигнал используется для установки триггеров и других элементов последовательной логики в определенное состояние при включении питания. Очевидно, этот сигнал должен сбросить флаг готовности байта к приему его в программу (в нашем новом интерфейсе установленный флаг готовности даже вызвал бы прерывание). Еще одно внесенное нами изменение — использование сокращенных обозначений для описания разрядности шины данных для того, чтобы сделать схему более удобочитаемой.

Новая схема обработки прерываний включает драйвер для установки IRQ2 в случае готовности символа. Вот и все схемные новшества, которые вам необходимы. Мы добавили, хотя в этом нет обязательной необходимости, возможность отключения устройства выработки сигнала прерывания (которое представляет собой трехстабильный буферный элемент) путем передачи байта, младший разряд которого установлен в низкое состояние, по адресу порта KBFLAG. Это можно будет использовать в том случае, если вам захочется подключить к тому же уровню IRQ другое устройство, вырабатывающее прерывания, причем так, чтобы в каждый момент только одно устройство могло инициировать прерывание (ниже мы дополнительно поясним этот щекотливый момент).

Компьютеры семейства IBM PC/XT реализуют обработку прерываний просто (хотя и ограничивая при этом гибкость), используя интегральную микросхему контроллера прерываний типа 8259, установленную на базовой плате. Эта микросхема выполняет основной объем работы, которая включает в себя определение приоритетов, маскирование и выбор векторов прерываний (мы опишем это после примера, приведенного ниже). Со своей стороны ЦП определяет, что наступило прерывание и реагирует на это сохранением указателя команд и регистра флагов, а также запрещением дальнейших прерываний, а затем-совершая переход по соответствующему адресу, записанному в области векторов прерываний в начальных ячейках памяти. Ваша программа обработки прерываний делает остальное, а именно: а) сохраняет с помощью команды push все регистры, которые вы собираетесь использовать (напомним, что прерываемая программа не может заранее подготовиться к прерыванию, поскольку оно может произойти в любой момент во время выполнения программы как гром среди ясного неба); б) выясняет, при необходимости, с помощью чтения одного или нескольких регистров состояний, что именно требуется выполнить; в) выполняет это; г) восстанавливает ранее сохраненные регистры из стека; д) сообщает микросхеме 8259, что все сделано (передавая байт признака завершения прерывания 20Н и, наконец, е) выполняет возврат из прерывания — команду IRET, что заставляет ЦП восстановить содержимое прежнего регистра флагов, сохраненное предварительно в стеке и передать управление (использовав прежнее, также предварительно сохраненное в стеке значение указателя команд) обратно в ту программу, выполнение которой было прервано. Где-то в программе вы должны ж) загрузить адрес программы-обработчика прерываний по адресу вектора прерываний, соответствующего уровню IRQ, используемого аппаратной частью компьютера, и сообщить контроллеру прерываний 8259 о том, что необходимо разрешить прерывание указанного уровня.