Внешние устройства модели ЭВМ

Модели внешних устройств (ВУ), используемые в описываемой системе, реализованы по единому принципу. С точки зрения процессора они представляют собой ряд программно-доступных регистров, лежащих в адресном пространстве ввода/вывода. Размер регистров ВУ совпадает с размером ячеек памяти и регистров данных процессора — шесть десятичных разрядов.

Доступ к регистрам ВУ осуществляется по командам in аа, out аа, где аа — двухразрядный десятичный адрес регистра ВУ. Таким образом, общий объем адресного пространства ввода/вывода составляет 100 адресов. Следует помнить, что адресные пространства памяти и ввода/вывода в этой модели разделены.

Разные ВУ содержат различное число программно-доступных регистров, каждому из которых соответствует свой адрес, причем нумерация адресов всех ВУ начинается с 0. При создании ВУ ему ставится в соответствие базовый адрес в пространстве ввода/вывода, и все адреса его регистров становятся смещениями относительно этого базового адреса.

Если в системе создаются несколько ВУ, то их базовые адреса следует выбирать с учетом величины адресного пространства, занимаемого этими устройствами, исключая наложение адресов.

Если ВУ способно формировать запрос на прерывание, то при создании ему ставится в соответствие вектор прерывания — десятичное число. Разным ВУ должны назначаться различные векторы прерываний.

Программная модель учебной ЭВМ комплектуется набором внешних устройств, включающим:

· контроллер клавиатуры;

· дисплей;

· блок таймеров;

· тоногенератор,

которым по умолчанию присвоены параметры, перечисленные в табл. 1.

Таблица 1. Параметры внешних устройств

Внешнее устройство	Базовый адрес	Адреса регистров	Вектор прерывания
Контроллер клавиатуры		0, 1, 2
Дисплей		0, 1, 2, 3	Нет
Блок таймеров		0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
Тоногенератор		0, 1	Нет

При создании устройств пользователь может изменить назначенные по умолчанию базовый адрес и вектор прерывания.

В описываемой версии системы не предусмотрена возможность подключения в систему нескольких одинаковых устройств.

Большинство внешних устройств содержит регистры управления CR и состояния SR, причем обычно регистры CR доступны только по записи, а SR — по чтению.

Регистр CR содержит флаги и поля, определяющие режимы работы ВУ, а SR — флаги, отражающие текущее состояние ВУ. Флаги SR устанавливаются аппаратно, но сбрасываются программно (или по внешнему сигналу). Поля и флаги CR устанавливаются и сбрасываются программно при записи кода данных в регистр CR или специальными командами.

Контроллер ВУ интерпретирует код, записываемый по адресу CR как команду, если третий разряд этого кода равен 1, или как записываемые в CR данные, если третий разряд равен 0. В случае получения командного слова запись в регистр CR не производится, а пятый разряд слова рассматривается как код операции.

Контроллер клавиатуры

Контроллер клавиатуры (рис. 3) представляет собой модель внешнего устройства, принимающего ASCII-коды от клавиатуры ПЭВМ.

Символы помещаются последовательно в буфер символов, размер которого установлен равным 50 символам, и отображаются в окне обозревателя (рис. 4).

В состав контроллера клавиатуры входят три программно-доступных регистра:

· DR (адрес 0) — регистр данных;

· CR (адрес 1)— регистр управления, определяет режимы работы контроллера и содержит следующие флаги:

o Е — флаг разрешения приема кодов в буфер;

o I — флаг разрешения прерывания;

o S — флаг режима посимвольного ввода.

· SR (адрес 2) — регистр состояния, содержит два флага:

o Err — флаг ошибки;

o Rd — флаг готовности.

Рис. 3. Контроллер клавиатуры

Рис. 4. Окно обозревателя контроллера клавиатуры

Регистр данных DR доступен только для чтения, через него считываются ASCII-коды из буфера, причем порядок чтения кодов из буфера соответствует порядку их записи в буфер — каждое чтение по адресу 0 автоматически перемещает указатель чтения буфера. В каждый момент времени DR содержит код символа по адресу указателя чтения буфера.

Флаги регистра управления CR устанавливаются и сбрасываются программно.

Флаг Е, будучи установленным, разрешает прием кодов в буфер. При Е = О контроллер игнорирует нажатие на клавиатуре, прием кодов в буфер не производится. На считывание кодов из буфера флаг Е влияния не оказывает.

Флаг I, будучи установленным, разрешает при определенных условиях формирование контроллером запроса на прерывание. При 1 = 0 запрос на прерывание не формируется.

Флаг S = 1 устанавливает т. н, режим посимвольного ввода, иначе контроллер работает в обычном режиме. Флаг S устанавливается и сбрасывается программно, кроме того, S сбрасывается при нажатии кнопки Очистить буферв окне Контроллер клавиатуры.

Условия формирования запроса на прерывание определяются, с одной стороны, значением флага разрешения прерывания I, с другой — режимом работы контроллера. В режиме посимвольного ввода запрос на прерывание формируется после ввода каждого символа (разумеется, при I=1), в обычном режиме запрос будет сформирован по окончании набора строки.

Завершить набор строки можно, щелкнув по кнопке Завершить вводв окне Контроллер клавиатуры(см. рис. 8.10). При этом устанавливается флаг готовности Rd (от англ. ready) в регистре состояния SR. Флаг ошибки Err (от англ. error) в том же регистре устанавливается при попытке ввода в буфер 51-го символа. Ввод 51-го и всех последующих символов блокируется.

Сброс флага Rd осуществляется автоматически при чтении из регистра DR, флаг Err сбрасывается программно. Кроме того, оба эти флага сбрасываются при нажатии кнопки Очистить буферв окне Контроллер клавиатуры;одновременно со сбросом флагов производится очистка буфера— весь буфер заполняется кодами 00h, и указатели записи и чтения устанавливаются на начало буфера.

Для программного управления контроллером предусмотрен ряд командных слов. Все команды выполняются при записи по адресу регистра управления CR кодов с 1 в третьем разряде.

Контроллер клавиатуры интерпретирует следующие командные слова:

· xxxl0l — очистить буфер (действие команды эквивалентно нажатию кнопки Очистить буфер);

· ххх 102 — сбросить флаг Err в регистре SR;

· ххx10З — установить флаг S в регистре CR;

· ххх 104 — сбросить флаг S в регистре CR.

Если по адресу 1 произвести запись числа ххх0nnс, то произойдет изменение 4-го и 5-го разрядов регистра CR по следующему правилу (1):

Дисплей

Дисплей (рис. 5) представляет собой модель внешнего устройства, реализующую функции символьного дисплея. Дисплей может отображать символы, задаваемые ASCII-кодами, поступающими на его регистр данных. Дисплей включает:

• видеопамять объемом 128 слов (ОЗУ дисплея);

• символьный экран размером 8 строк по 16 символов в строке;

• четыре программно-доступных регистра:

o DR (адрес 0) — регистр данных;

o CR (адрес 1) — регистр управления;

o SR (адрес 2) — регистр состояния;

o AR (адрес 3) — регистр адреса.

Рис. 5. Контроллер дисплея

Через регистры адреса AR и данных DR по записи и чтению осуществляется доступ к ячейкам видеопамяти. При обращении к регистру DR по записи содержимое аккумулятора записывается в DR и в ячейку видеопамяти, адрес которой установлен в регистре AR.

Регистр управления CR доступен только по записи и содержит в 4-м и 5-м разрядах соответственно два флага:

• Е — флаг разрешения работы дисплея; при Е = 0 запись в регистры AR и DR блокируется;

• А — флаг автоинкремента адреса; при А = 1 содержимое AR автоматически увеличивается на 1 после любого обращения к регистру DR— по записи или чтению.

Изменить значения этих флагов можно, если записать по адресу CR (по умолчанию — 11) код хххОnn, при этом изменение 4-го и 5-го разрядов регистра CR произойдет согласно выражению (1).

Для программного управления дисплеем предусмотрены две команды, коды которых должны записываться по адресу регистра CR, причем в третьем разряде командных слов обязательно должна быть 1:

• xxxlOl — очистить дисплей (действие команды эквивалентно нажатию кнопки Очиститьв окне Дисплей),при этом очищается видеопамять (в каждую ячейку записывается код пробела — 032), устанавливается в 000 регистр адреса AR и сбрасываются флаги ошибки Err и автоинкремента А;

• ххх102 — сбросить флаг ошибки Err.

Рис. 6. Окно обозревателя контроллера дисплея

Регистр состояния SR доступен только по чтению и содержит единственный флаг (в пятом разряде) ошибки Err. Этот флаг устанавливается аппаратно при попытке записать в регистр адреса число, большее 127, причем как в режиме прямой записи в AR, так и в режиме автоинкремента после обращения по адресу 127. Сбрасывается флаг Err программно или при нажатии кнопки Очиститьв окне Дисплей(рис. 6).

Блок таймеров

Блок таймеров (рис. 7) включает в себя три однотипных канала, каждый из которых содержит:

• пятиразрядный десятичный реверсивный счетчик Т, на вход которого поступают метки времени (таймер);

• программируемый предделитель D;

• регистр управления таймером CTR;

• флаг переполнения таймера FT.

Регистры таймеров Т доступны по записи и чтению (адреса 1, 3, 5 соответственно для Tl, T2, ТЗ). Программа в любой момент может считать текущее содержимое таймера или записать в него новое значение.

На входы предделителей поступает общие для всех каналов метки времени CLK с периодом 1 мс, Предделители в каждом канале программируются независимо, поэтому таймеры могут работать с различной частотой.

Рис. 7. Блок таймеров

Регистры управления CTR доступны по записи и чтению (адреса 2, 4, 6) и содержат следующие поля:

• Т (разряд 5) — флаг включения таймера;

• EI (разряд 4)— флаг разрешения формирования запроса на прерывание при переполнении таймера;

• I/D (разряд 3) — направление счета (инкремент/декремент), при I/D = О таймер работает на сложение, при I/D =1 — на вычитание;

• к (разряды [1:2]) — коэффициент деления предделителя (от 1 до 99).

Флаги переполнения таймеров собраны в один регистр — доступный только по чтению регистр состояния SR, имеющий адрес 0. Разряды регистра (5, 4 и 3 для Tl, Т2, ТЗ соответственно) устанавливаются в 1 при переполнении соответствующего таймера. Для таймера, работающего на сложение, переполнение наступает при переходе его состояния из 99 999 в 0, для вычитающего таймера — переход из 0 в 99 999.

В окне обозревателя (рис. 8) предусмотрена кнопка Сброс, нажатие которой сбрасывает в 0 все регистры блока таймеров, кроме CTR, которые устанавливаются в состояние 001000. Таким образом, все три таймера обнуляются, переключаются в режим инкремента, прекращается счет, запрещаются прерывания, сбрасываются флаги переполнения и устанавливаются коэффициенты деления предделителей равными 01.

Рис. 8. Окно обозревателя блока таймеров

Программное управление режимами блока таймеров осуществляется путем записи в регистры CTR соответствующих кодов. Запись по адресу SR числа с 1 в третьем разряде интерпретируется блоком таймеров как команда, причем младшие разряды этого числа определяют код команды:

• xхх100 — общий сброс (эквивалентна нажатию кнопки Сбросв окне обозревателя);

• xxxl0l — сброс флага переполнения таймера FT1;

• ххх102 — сброс флага переполнения таймера FT2;

• ххх10З — сброс флага переполнения таймера FT3.

Тоногенератор

Модель этого простого внешнего устройства не имеет собственного обозревателя, содержит всего два регистра, доступных только для записи:

• FR (адрес 0) — регистр частоты звучания (Гц):

• LR (адрес 1) — регистр длительности звучания (мс).

По умолчанию базовый адрес тоногенератора— 30. Сначала следует записать в FR требуемую частоту тона в герцах, затем в LR — длительность звучания в миллисекундах. Запись числа по адресу регистра LR одновременно является командой на начало звучания.

Подсистема прерываний

В модели учебной ЭВМ предусмотрен механизм векторных внешних прерываний. Внешние устройства формируют запросы на прерывания, которые поступают на входы контроллера прерываний. При подключении ВУ, способного формировать запрос на прерывание, ему ставится в соответствие номер входа контроллера прерываний — вектор прерывания, принимающий значение в диапазоне 0—9.

Контроллер передает вектор, соответствующий запросу, процессору, который начинает процедуру обслуживания прерывания.

Каждому из возможных в системе прерываний должен соответствовать т. н. обработчик прерывания — подпрограмма, вызываемая при возникновении события конкретного прерывания.

Механизм прерываний, реализованный в модели учебной ЭВМ, поддерживает таблицу векторов прерываний, которая создается в оперативной памяти моделью операционной системы (если она используется) или непосредственно пользователем.

Номер строки таблицы соответствует вектору прерывания, а элемент таблицы — ячейка памяти, в трех младших разрядах которой размещается начальный адрес подпрограммы, обслуживающей прерывание с этим вектором.

Таблица прерываний в рассматриваемой модели жестко фиксирована— она занимает ячейки памяти с адресами 100—109. Таким образом, адрес обработчика с вектором 0 должен располагаться в ячейке 100, с вектором 2 — в ячейке 102. При работе с прерываниями не рекомендуется использовать ячейки 100—109 для других целей.

Процессор начинает обработку прерывания (если они разрешены), завершив текущую команду. При этом он:

1. Получает от контроллера вектор прерывания.

2. Формирует и помещает в верхушку стека слово, три младших разряда ([3:5]) которого — текущее значение PC (адрес возврата из прерывания), а разряды [1:2] сохраняют десятичный эквивалент шестнадцатеричной цифры, определяющей значение вектора флагов (I, OV, S, Z). Например, если I=1, OV = О, S = 1, Z— 1, то в разряды [1:2] запишется число 11₁₀ =1011₂.

3. Сбрасывает в 0 флаг разрешения прерывания I.

4. Извлекает из таблицы векторов прерываний адрес обработчика, соответствующий обслуживаемому вектору, и помещает его в PC, осуществляя тем самым переход на подпрограмму обработчика прерывания.

Таким образом, вызов обработчика прерывания, в отличие от вызова подпрограммы, связан с помещением в стек не только адреса возврата, но и текущего значения вектора флагов. Поэтому последней командой подпрограммы обработчика должна быть команда iret, которая не только возвращает в PC три младшие разряда ячейки — верхушки стека (как ret), но и восстанавливает те значения флагов, которые были в момент перехода на обработчик прерывания.

Не всякое событие, которое может вызвать прерывание, приводит к прерыванию текущей программы. В состав процессора входит программно-доступный флаг I разрешения прерывания. При I = 0 процессор не реагирует на запросы прерываний. После сброса процессора флаг I так же сброшен и все прерывания запрещены. Для того чтобы разрешить прерывания, следует в программе выполнить команду ei (от англ. enable interrupt).

Выше отмечалось, что при переходе на обработчик прерывания флаг I автоматически сбрасывается, в этом случае прервать обслуживание одного прерывания другим прерыванием нельзя. По команде iret значение флагов восстанавливается, в т. ч. вновь устанавливается I=1, следовательно, в основной программе прерывания опять разрешены.

Если требуется разрешить другие прерывания в обработчике прерывания, достаточно в нем выполнить команду ei. Контроллер прерываний и процессор на аппаратном уровне блокируют попытки запустить прерывание, если его обработчик начал, но не завершил работу.

Таким образом, флаг I разрешает или запрещает все прерывания системы. Если требуется выборочно разрешить некоторое подмножество прерываний, используются программно-доступные флаги разрешения прерываний непосредственно на внешних устройствах.

Как правило, каждое внешнее устройство, которое может вызвать прерывание, содержит в составе своих регистров разряд флага разрешения прерывания (см. формат регистров CR и CTR на рис. 9, 13), по умолчанию установленный в 0. Если оставить этот флаг в нуле, то внешнему устройству запрещается формировать запрос контроллеру прерываний.

Иногда бывает удобно (например, в режиме отладки) иметь возможность вызвать обработчик прерывания непосредственно из программы. Если использовать для этих целей команду call, которая помещает в стек только адрес возврата, то команда iret, размещенная последней в обработчике, может исказить значения флагов (все они будут сброшены в 0, т. к. команда call формирует только три младшие разряда ячейки верхушки стека, оставляя остальные разряды в 000).

Поэтому в системах команд многих ЭВМ, в т. ч. и нашей модели, имеются команды вызова прерываний— int n (в нашей модели n Î {0, 1,..., 9}), где n— вектор прерывания. Процессор, выполняя команду int n, производит те же действия, что и при обработке прерывания с вектором n.

Характерно, что с помощью команды int n можно вызвать обработчик прерывания даже в том случае, когда флаг разрешения прерывания I сброшен.