Программирование аппаратных средств
Программирование аппаратуры – как штатных периферийных устройств компьютера, таких, как видеосистема, клавиатура, последовательный или параллельный интерфейс и др., так и нестандартных измерительных или управляющих устройств, подключаемых к компьютеру, если он используется для автоматизации научных исследований или управления технологическим процессом – является одним из важнейших и наиболее оправданных применения языка ассемблера.
Во-первых, от программ управления аппаратурой часто требуется максимальное быстродействие. Во-вторых, эти программы, призванные управлять аппаратурой на низком уровне, путем обращения к регистрам и их отдельными битам, часто ничего не выигрывают от использования языков высокого уровня, в которых те же операции реализуются с помощью процедур языка, менее наглядных и эффективных, чем "чистые" команды процессора. В-третьих, при программировании аппаратуры, особенно, экспериментальной, важно жестко соблюдать временную и событийную последовательность команд и сигналов, воспринимаемых программируемым устройством, что естественным образом достигается при использовании языка ассемблера, в котором каждое предложение языка реализуется вполне определенной командой процессора.
В зависимости от назначения и способа функционирования аппаратуры, она может требовать различных режимов программного управления. В основном существуют три режима, или способа взаимодействия программы и аппаратуры: режим свободного доступа, режим ожидания готовности и режим прерываний.
Режим свободного доступа используется в тех случаях, когда момент обращения к устройству целиком определяется программой. Например, регистры, управляющие работой аппаратуры, обычно доступны в любой момент времени. Программа может в любой момент прочитать содержимое этих регистров и определить по нему текущий режим работы устройства, или, наоборот, послать в управляющие регистры требуемую последовательность команд с целью изменения рабочего режима.
Режим ожидания готовности необходимо использовать в тех случаях, когда после приема некоторой команды устройству требуется определенное время для ее выполнения. Например, в последовательный порт, через который компьютер связывается с другими компьютерами или телефон ной сетью, нельзя посылать следующую порцию информации (байт), пока устройствами последовательного интерфейса не будет отправлена в канат связи предыдущая порция. Режимом ожидания готовности часто пользуются для приема информации из измерительной аппаратуры, если требуется обеспечить максимальную скорость ее получения.
Режим прерываний является важнейшим способом связи с относительно медленным периферийным оборудованием. В этом случае устройство подключается не только к линиям адресов, данных и управления системной магистрали компьютера, но и к одной из специально выделенных линий прерываний. В режиме прерывания устройство само решает, когда ему требуется обслуживание, и посылкой в компьютер сигнала прерывания оповещает об этом процессор. Типичным примером является клавиатура, посылающая сигнал прерывания каждый раз, когда пользователь нажимает на ту или иную клавишу. Большая часть штатных устройств компьютера – мышь, диски, таймер и др. – используют режим прерываний. Типичен этот режим также и для связи с измерительной аппаратурой в тех случаях, когда аппаратура регистрирует относительно редкие события, или измерительные данные накапливаются в аппаратуре в течение заметного времени и затем пересылаются в компьютер сразу целой пачкой.
Как уже отмечалось в гл. 1, связь с аппаратными средствами самого компьютера, а также с подключаемыми к нему устройствами осуществляется главным образом через адресное пространство ввода-вывода. Это значит, что за каждым устройством закрепляется один или, чаще, несколько портов, и программирование устройства осуществляется исключительно с помощью команд in и out (а также ins и cuts, если программируемое устройство может посылать данные потоком).
В простейшем случае программирование устройства сводится к выполнению единственной команды in в случае чтения из устройства, или out в случае записи в него. Рассмотрим, например, процедуры маскирования и размаскирования аппаратных прерываний. В каждом из двух контроллеров прерываний, включаемых в состав компьютера, имеется регистр маски (рис. 3.10). Значение 0 в бите маски разрешает прохождение сигнала прерывания, значение 1 запрещает. Пройдя через маску и через последующие узлы контроллера прерываний (не показанные на рис. 3.10), сигнал прерываний поступает на вход INT микропроцессора. Программирование регистров маски осуществляется через порт 21h для ведущего контроллера и A1h для ведомого.
Исходное значение маски устанавливается программами начальной загрузки компьютера в зависимости от конфигурации вычислительной системы. Типичным является значение A8h, показанное на рис. 3.10. При этом значении маски размаскированными оказываются системный таймер, клавиатура, мышь, подключенная к первому последовательному порту СОМ1, гибкий диск, а также выход от ведомого контроллера, подключаемый ко входу IRQ2 ведущего. Замаскированы оба параллельного порта (принтер, подключаемый к порту LPT1, обычно не использует прерываний, а второй параллельный порт часто просто отсутствует) и второй последовательный порт, к которому ничего не подключено. Другими словами, размаскировано все нужное, и замаскировано все ненужное.
Рис. 3.10. Регистр маски ведущего контроллера прерываний.