Работа микропроцессора с внешними устройствами
Выше было описано, как процессор обменивается информацией с ее наиболее важным и оперативным источником - памятью. Рассмотрим теперь, как МП может принять данные или передать их внешним устройствам. Способ решения этой задачи в зависимости от конструкции ЭВМ (подчеркнем: не от конструкции МП, а от конструкции всей ЭВМ!) может быть одним из двух указанных ниже:
1) устройства ввода-вывода включаются в общее адресное пространство;
2) устройства ввода-вывода имеют собственное адресное пространство.
В первом случае при обращении к определенным адресам памяти вместо обмена с ОЗУ происходит аппаратное подключение того или иного внешнего устройства. При этом для «общения» с внешними устройствами и с памятью используются одни и те же команды МП, хотя, конечно, обмен с внешним устройством протекает по более сложному протоколу, чем с памятью.
Во втором случае внешние устройства образуют отдельное адресное пространство, обычно значительно меньшее, чем у ОЗУ. Каждая ячейка этого дополнительного адресного пространства называется портом. Каждому внешнему устройству обычно соответствует несколько портов с последовательными адресами. Обмен процессора с организованными подобным образом устройствами осуществляется специальными командами ввода-вывода.
На самом деле, с точки зрения схемной организации оба описанных способа имеют очень много общего. При любом обмене, будь то обращение к ОЗУ, ПЗУ или внешнему устройству, процессор выставляет адрес информации на единую адресную шину, а данные передает или принимает по общей шине данных. Выбор же требуемого адресата - ячейки памяти или порта - осуществляется подачей специального управляющего сигнала.
В одном и том же компьютере могут встречаться оба способа адресации устройств ввода-вывода одновременно. Так, в ПЭВМ «Ямаха» накопитель на магнитных дисках включен в общее адресное пространство памяти, а печатающее устройство оформлено в виде нескольких портов. Некоторые порты этого компьютера служат для подключения к небольшому 64-килобайтному адресному пространству 128 кбайт ОЗУ и многочисленных ПЗУ. При этом все ресурсы памяти разбиваются на отдельные страницы по 16 кбайт каждая, и «активными» в каждый момент времени могут быть только четыре из них.
Рассказ о работе с периферийными устройствами был бы неполным без описания того диалога, который ведет с ними МП. Рассмотрим этот диалог на примере простейших устройств ввода-вывода - например, печатающего устройства.
Обмен с подключенным к ЭВМ печатающим устройством производится через два основных порта - порт состояния и порт данных. В первом хранится информация о состоянии устройства в данный момент времени, а во второй МП помещает данные для вывода на бумагу. Каждый бит порча состояния хранит ответ на вполне определенный вопрос: заправлена ли бумага, готов ли принтер принять данные от компьютера и т.д. Все это для МП - входные сигналы. Но есть и выходные, которые через порт передаются от МП к печатающему устройству. Наиболее важным из них является бит, свидетельствующий о готовности информации в порту данных к передаче. Этот управляющий сигнал часто называют стробом.
В наиболее простом случае обмен информацией между процессором и принтером может протекать следующим образом. Пусть МП должен вывести на печать какой-нибудь символ. Он считывает порт состояния принтера и анализирует содержимое его бита готовности. Если результат положительный, т.е. печатающее устройство готово принять информацию, обмен продолжается, в противном случае МП снова считывает порт состояния и повторяет анализ. Когда процессор получит от принтера сигнал о готовности к обмену, он заносит требуемый символ в порт данных и установкой стробирующего сигнала сообщает об этом принтеру. Затем МП снова периодически считывает порт состояния, но следит уже за другим битом (через этот бит принтер сообщит процессору о том, что данные приняты, т.е. скопированы в собственное ОЗУ принтера). После этого МП убирает стробирующий потенциал и продолжает работу по программе.
Конечно, реальный диалог современного компьютера с печатающим устройством сложнее. Вот пример. Вы, наверное, заметили, что описанный выше алгоритм «зациклится», если принтер не подключен или не готов к работе: процессор будет ждать сигнала о готовности принтера, а того не будет. Выход - ожидать сигнала готовности в течение какого-то времени, а затем выдать пользователю сообщение о неготовности принтера к работе. При этом желательно проверить содержимое других битов порта состояния (например, отвечающих за наличие бумаги и т.п.) и уточнить, если потребуется, диагностическое сообщение.
Обмен информацией между МП и устройством ввода следует рассмотреть отдельно, так как он может иметь некоторые существенные особенности. Описанная выше идеология передачи данных, конечно, может быть использована и для устройств ввода - например, для клавиатуры. В этом случае программа в тот момент, когда ей потребуются входные данные, опросит состояние клавиатуры и примет с нее данные. Однако для сложных современных программных систем такой метод неудобен из-за существенного замедления времени реакции ЭВМ. В самом деле, если некоторая сложная программа занята вычислениями, а вы хотите ее прервать, то придется подождать, пока процессор освободится и займется опросом клавиатуры (собственно говоря, тогда и прерывать-то будет нечего!). Все это сильно напоминает очередь в приемной бюрократа-начальника, когда люди вынуждены часами ждать, пока их вызовут для пятиминутного решения вопроса.
Для предотвращения подобных неприятностей во всех ЭВМ на базе МП наряду с программным опросом устройств ввода существует еще один механизм - механизм прерывания от внешних устройств. Такие прерывания настолько широко используются в компьютерах, что имеет смысл рассмотреть их подробнее. Для понимания сути работы прерываний снова обратимся к аналогии с руководителем. Пусть в его кабинете идет совещание по подведению итогов деятельности предприятия, и в этот момент по телефону поступает очень важная информация, требующая немедленного принятия решения. Как в таком случае обычно развиваются события? Секретарь, не дожидаясь конца совещания, сообщает шефу о звонке. Тот, прервав свое выступление, снимает трубку и выясняет суть дела. Затем он либо тут же принимает решение и сообщает его, либо предлагает пока сделать самое необходимое, а после совещания обещает перезвонить и дать дальнейшие указания. Затем (обратим внимание на эту деталь!) он произносит что-нибудь в духе «Так, на чем мы остановились?» и продолжает совещание как ни в чем не бывало. Впрочем, если ситуация экстренная, то совещание может быть прекращено или в его ход могут быть внесены определенные коррективы.
Вернемся к компьютеру. Каждое его устройство (клавиатура, мышь, дисковод и др.) способно затребовать внимание процессора, выставляя сигнал требования прерывания. Процессор проверяет наличие этого сигнала после выполнения каждой операции. «Увидев» требование прерывания, МП немедленно начинаетего обрабатывать. Прежде всего, он запоминает свое текущее состояние (счетчик команд и регистр состояния) с тем, чтобы в дальнейшем иметь возможность продолжить выполнение прерванной программы. После этого происходит переход на программу, обрабатывающую данное прерывание. Заметим, что все перечисленные действия реализуются на аппаратном уровне, т.е. фактически являются «врожденными рефлексами» МП.
Программа обработки прерывания, получив управление, проводит оперативный анализ причины прерывания. Если причина серьезная и требует немедленных действий, то эти действия выполняются. Если же с обработкой можно подождать (например, просто нажата обычная символьная клавиша), в специальную область памяти (буфер) заносится информация о происшедшем прерывании. Во всех случаях прерывания завершаются выполнением специальной команды возврата, которая восстанавливает содержимое программного счетчика и регистра состояния, давая тем самым микропроцессору возможность продолжить работу прерванной программы. Естественно, что программа обработки прерывания должна была предварительно восстановить все испорченные ей рабочие регистры МП.
Реальная картина, конечно, еще сложнее: прерывания от разных устройств имеют разные уровни приоритета, существует возможность маскировки прерываний и т.п. Однако сути дела все это существенно не меняет.
В последнее время необходимость понимания механизма работы прерываний сильно возросла в связи с возникновением идеологии программирования по событиям. Она связана с распространением среды «Windows» и лежит в основе систем типа «Visual Basic» или «Delphi». Приведем примеры нескольких событий, на которые программа может реагировать: сдвинута мышь, нажата (или отпущена) клавиша мыши, нажата клавиша «ввод», выбран тот или иной пункт меню, открыто новое окно на экране и многие-многие другие. Полный перечень событий занимает в описании несколько страниц. Интересно, что программа на таком языке уже не является единым целым: на каждое событие пишется своя собственная программа, хотя все они и могут быть связаны между собой.
Итак, мы рассмотрели наиболее общие принципы работы микропроцессоров вне зависимости от их модели. Теперь познакомимся с конкретными процессорами.