Mikroprocesory w technice. W4 – urządzenia wejścia - wyjścia

Zdzisław Stryła wejścia-wyjścia 1

Mikroprocesory w technice.W4 – urządzenia wejścia - wyjścia

Zdzisław Stryła

Instytut Fizyki UAM


Projekt „STUDIA PODYPLOMOWE DLA NAUCZYCIELI W ZAKRESIE ICT, JĘZYKÓW OBCYCH ORAZ DRUGIEGO PRZEDMIOTU”

realizowany zgodnie zSEKTOROWYM PROGRAMEM OPERACYJNYM - ROZWÓJ ZASOBÓW

LUDZKICHi współfinansowany ze środków BUDŻETU PAŃSTWA i środków UNII

EUROPEJSKIEJ w ramach EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU SPOŁECZNEGO.


Układy wejścia/wyjścia

• Urządzenia wejścia – wyjścia służą do wymiany informacji między systemem komputerowym, a urządzeniami zewnętrznymi (światem zewnętrznym).


Układy wejścia/wyjścia • Podział ze względu na przeznaczenie:

– Układy wejść cyfrowych (równoległe, szeregowe) do wprowadzanie informacji w postaci wektorów binarnych;

– Układy wyjść cyfrowych;– Układy wejść analogowych, przetwarzające

sygnały z przetworników analogowych na postać cyfrową ;

– Układy wyjść (kwazi- ) analogowych;


Magistrale

Typowy system komputerowy zawiera jednokierunkową magistralę adresową, dwukierunkową magistralę danych i dwukierunkową magistralę sterującą.

W przypadku prostszych systemów, gdzie głównym parametrem jest cena, a nie szybkość przetwarzania, ogranicza się liczbę wyprowadzeń procesora przez multipleksację magistrali danych i adresów.


magistrale

procesor pamięć I/O

Magistrala adresowa

Magistrala danych

Magistrala sterująca

Urządzenia

zewnętrzne/

otoczenie


magistrala multipleksowana

procesor pamięć I/O

Magistrala danych i adresów


Urządzenia

zewnętrzne/

otoczenie

Zatrzask adresowy


Adresowanie wejść i wyjść – podział ze względu na sposób współpracy z procesorem.

•Układy we/wy współadresowane (memory mapped I/O) z pamięcią, widziane przez procesor, tak jak komórki pamięci:

• lista rozkazów nie zawiera rozkazów we/wy;

• wszystkie rozkazy dotyczące operacji na pamięci muszą być wykonalne na rejestrach we/wy.

•Układy we –wy izolowane (isolated I/O) :

• Lista rozkazów zawiera specjalne rozkazy wejścia i wyjścia;

• Magistrala sterująca musi mieć odrębne linie do sterowania pamięci i odrębne do sterowania we/wy.


Mikroprocesor z zewnątrz

proce

sor

adresy

dane

memory write (zapis do pamięci)

Memory read (odczyt z pamięci)

i/o write (zapis do WE/WY)

I/O read (odczyt z WE/WY)

DMA request (żądanie dostępu DMA)

DMA acknowledge (potwierdzenie dostępu DMA)

Interrupt acknowledge (potwierdzenie przerwania)

Interrupt request (żądanie obsługi przerwania)

Wait (czekam)

ready (gotów)

Reset (zeruj)

clk (zegar)


Operacje we –wy programowo

• Operacje we –wy bezwarunkowe;

• z testowaniem statusu urządzenia;

• z przerwaniem wykonywania programu;

• z przekazaniem sterowania (tryb DMA);


Operacje we –wy bezwarunkowe;

• Polegają na wpisie danej do rejestru urządzenia we/wy (lub odczycie z) bez kontroli gotowości urządzenia do wymiany danych.

• Moment transmisji jest określony przez lokalizację rozkazu we/wy w programie.– Prostota układowa i programowa;– Niebezpieczeństwo utraty danych.


Układ sprzęgający do op. bezwarunkowychMagistrala danych

Magistrala adresów


Dekoder adresów

Bufor trójstanowy

read

Dane z urządzenia zewnętrznego

Zezwolenie na odczyt


Układ wyjściowy do op. bezwarunkowychMagistrala danych

Magistrala adresów


Dekoder adresów

write

Dane do urządzenia zewnętrznego

Zezwolenie na zapis

Bufor wyjściowy


proce

sor

Sprzęg klawiaturyadresy Dekoder

adresów

read

+5V

GND

Bufor trójstanowy

dan

e


proce

sor

Sprzęg wyświetlaczaadresy Dekoder

adresów

write

+5V

Diody świecące

dan

e

Bufor trójstanowy


Operacje we –wy z testowaniem stanu urządzenia we/wy

• Wymiana danych poprzedzana jest sprawdzeniem gotowości urządzenia we/wy do transmisji przez sprawdzenie jego rejestru statusowego.

• Tworzona jest programowa pętla przepytywania:– Prostota programowa;– Straty czasu w oczekiwaniu na gotowość;


Operacje we –wy z testowaniem statusu urządzenia

Czy układ gotów

do transmisji?

Odczyt rejestru statusowego urz. we/wy

transmisja

nie

tak


Przykład – sprzęg przetwornika a/d

STARTENABLEBUSY WYJŚCIE CYFROWE

MIERZONE NAPIĘCIE

START

BUSY

ENABLE

t

Czas przetwarzania

Dane na magistrali


proce

sor

Sprzęg przetwornikaadresy

Dekoder adresów

dan

e STARTENABLEBUSY WYJŚCIE CYFROWE

MIERZONE NAPIĘCIE A1 A2 A3

write

read


Przerwania• Przerwania umożliwiają reakcję systemu na

zdarzenia zewnętrzne, zdarzenia istotne dla wykonywanego programu i efektywne wykorzystanie zasobów.

• Ich cechą charakterystyczną jest przerwanie wykonywania aktualnego zadania, zapamiętanie kontekstu (stanu procesora, itd..), przejście do procedury obsługi przerwania, a po jej zakończeniu powrót do przerwanego zadania.


przerwania• Przerwania sprzętowe (zewnętrzne).

– Urządzenie we/wy zgłasza żądanie obsługi.

• Przerwania wewnętrzne (wyjątki).– Obsługa sytuacji, w których program nie może być

kontynuowany (np. zdekodowanie nieistniejącego rozkazu, niedopuszczalnego trybu adresowania, naruszenie ochrony pamięci).

• Przerwania programowe (pułapki)– Metoda komunikacji z systemem operacyjnym dla

wykonania działań (usług) zastrzeżonych dla S.O.


Przerwania sprzętowe

• Urządzenie zewnętrzne zgłasza żądanie obsługi:– W niektórych procesorach każde źródło

przerwań ma swoją linię zgłoszeń, dzięki czemu jego identyfikacja jest bezproblemowa;

– znacznie częściej jest jedna linia zgłoszenia przerwań, co wymaga dodatkowych czynności dla identyfikacji źródła.


Obsługa przerwania

• Na końcu cyklu rozkazowego sprawdzana jest linia żądania przerwań;

• W przypadku wystąpienia żądania przerwania należy:– Zidentyfikować zgłoszenie;– Zapamiętać stan przerywanego programu;– Zablokować zgłoszenia;– Wywołać odpowiedni program obsługi.

• Po wykonaniu obsługi należy odtworzyć kontekst i powrócić do przerwanego programu.


Cykl rozkazowy z przerwaniami

Pobranie rozkazu

Obliczenie adresu

rozkazu

Dekodo-wanie

rozkazu

Oblicze-nie adresu

argumentu

Operacja na danych

Oblicze-nie adresu wyniku

Sprawdze-nie

przerwań

Wyznaczenie numeru przerwania Zapisanie kontekstu

Pobranie argumentu

Zapisanie wyniku

Następny element wektora

Następny rozkaz


Zgłaszanie przerwań –suma „na drucie”

+5V

Int 0 Int n

INTR =


Maskowanie przerwań

• Niektóre przerwania są czynne zawsze – niemaskowalne;

• Większość można programowo blokować – maskować;

• Ponadto można programowo wyłączyć cały system przerwań maskowalnych.


Identyfikacja źródła przerwania

• Wiele linii przerwań;

• Odpytywanie programowe;

• Odpytywanie sprzętowe;

• Arbitraż na magistrali.


Wiele linii przerwań;

• Stosuje się, gdy liczba urządzeń przerywających jest niewielka;

• Przede wszystkim w niewielkich systemach „zamkniętych” .


Odpytywanie programowe;• Po wykryciu zgłoszenia wywoływana jest

procedura, która sprawdza, który moduł we/wy zgłosił przerwanie, przepytując wszystkie wszystkie po kolei :– Przy użyciu specjalnej linii sterującej i kolejnym

adresowaniu modułów;– Lub przez odczytanie rejestrów statusowych;– Po zidentyfikowaniu urządzenia przerywającego

uruchamiana jest procedura obsługi przerwania.

• Wadą jest czasochłonność.


Programowa identyfikacja źródła przerwaniaprzerwanie

INTR1?

INTR2?

INTR n?

procedura

obsługi 1

procedura

obsługi 2

procedura

obsługi n

powrót

T

T

T

N

N

N


Odpytywanie sprzętowe – przerwania wektorowe

• System łańcuchowy – sygnał potwierdzenia przerwania przechodzi po kolei przez moduły we/wy, aż natrafi na ten, który zgłaszał przerwanie. Moduł odpowiada ustawiając na magistrali danych swój identyfikator (np. adres wskaźnika pułapki lub adres pułapki);

• Moduł jednocześnie blokuje przejście sygnału potwierdzenia przerwania do następnych modułów;

• Kolejność ustawienia modułów w łańcuchu decyduje o ich priorytecie.


Odpytywanie sprzętowe II;

• Koder priorytetowy – na jego wyjściu pojawia się numer urządzenia o najwyższym priorytecie spośród zgłaszających.

• Jest to metoda arbitrażu równoległego.


Bezpośredni system przerwańprocesor

Koder priorytetowy

dane

INTR

INTA

UnU1

EI

Zezwolenie

ogólne

Rejestr maski


Zapamiętanie kontekstu

• Przed przejściem do procedury obsługi przerwania należy zapamiętać informacje niezbędne do kontynuacji programu:– Zawartość licznika programu, czyli adres

następnego rozkazu;– Słowo stanu procesora;– Zawartość innych rejestrów procesora, które

będą używane w trakcie obsługi przerwania.


Użycie stosu systemowego• Licznik programu i słowo stanu procesora są

zwykle odkładane na stos automatycznie;• Pozostałe rejestry należy odłożyć na stos

programowo na początku procedury obsługi przerwania.

• Przed powrotem z procedury obsługi przerwania odtwarzamy zawartość rejestrów.

• Rozkaz powrotu z przerwania (RETI) powoduje zdjęcie ze stosu zawartości rejestru stanu procesora i licznika programu.


Przełączanie kontekstu

• Zamiast czasochłonnego odkładania zawartości rejestrów na stos można wyposażyć procesor w dodatkowe zestawy rejestrów, podstawiane w miejsce podstawowych przy wejściu w obsługę przerwania.

• Metoda ta jest szybka, ale utrudnia stosowanie wielopoziomowego systemu przerwań;


Blokada zgłoszeń• Zapewnia niezakłócone wykonanie procedury

obsługi przerwania.• Ponowna aktywizacja następuje przy powrocie z

przerwania;• W przypadku, gdy wymagamy, aby przerwanie o

wyższym priorytecie od aktualnie obsługiwanego zostało natychmiast obsłużone, nie możemy blokować zgłoszeń.– dla rozwiązań z przełączaniem kontekstu dależy

kontrolować stopień zagnieżdżenia.


Obsługa przerwań

reti

Identyfikacja przerwania;Zachowanie kontekstu;

Dezaktywizacja przerwań

odtworzenie kontekstu;aktywizacja przerwań

Program główny

Procedura obsługi

przerwania.


Obsługa przerwańsekwencyjna wielopoziomowa

reti

reti

Przerwanie N

Przerwanie M

reti

reti

Przerwanie N

Przerwanie M


Obsługa przerwańsekwencyjna

t

1 2 4 2 cd

1 2 4 3 Zgłoszenia przerwań

Procedury obsługi

t

1 4 3 2

wielopoziomowa

1 2 4 3Zgłoszenia przerwań

Procedury obsługi

3 1 cd


Organizacja pamięci dla wektorowego systemu przerwań.

• Identyfikacja źródła przerwania polegająca na podaniu adresu początkowego procedury obsługi nie jest wygodna.

• Znacznie częściej identyfikacja następuje wg numeru przerwania.

• W dolnej części pamięci rezerwuje się obszar na wektor adresów. Dana komórka wektora adresów jest identyfikowana przez numer przerwania (z ew. mnożnikiem).


Organizacja pamięci dla wektorowego systemu przerwań.

• Wektor adresów (wskaźników pułapek) zawiera adresy początków procedur obsługi poszczególnych przerwań.

• Metoda ta umożliwia łatwą relokację procedur obsługi przerwań.


Organizacja pamięci dla

wektorowego systemu

przerwań.

Adr. Puł. 1

Adr. Puł. 2

Adr. Puł. 3

Rozk.1.

Rozk.2.

Pułapka 1


Operacje we/wy z przekazaniem sterowania (tryb DMA)

• Przesłania dużych bloków danych między między pamięcią, a urządzeniem we/wy z pośrednictwem procesora prowadzi do spowolnienia wymiany.


Operacje we/wy z przekazaniem sterowania (tryb DMA)

• Operacje bezpośredniego dostępu do pamięci polegają na tym, że: – Transmisja następuje pomiędzy wyznaczonym

obszarem pamięci (buforem), a rejestrami układu we/wy z pominięciem procesora.

– Procesor zawiesza swe działanie na czas transmisji bez naruszania kontekstu (hold).

– Kontrolę nad magistralami przejmuje układ sprzęgający urządzenia we/wy.


Układ DMA

• Układ sprzęgu DMA winien być wyposażony w licznik adresów i licznik słów, które umożliwiają sterowanie transmisją bloku.

• Wartości początkowe układ DMA otrzymuje z procesora.– Transmisja blokowa;– Transmisja z wykradaniem cykli.

Documents

Mikroprocesory w technice. W4 – urządzenia wejścia - wyjścia