3. Ввод из порта и вывод в порт
Физически порт ввода/вывода представляет регистры разрядностью 8, 16 или 32 бита. Доступ к устройствам ввода/вывода, системным устройствам компьютера осуществляется посредством этих регистров, причем каждый из этих регистров должен иметь возможность уникальной идентификации. С этой целью архитектурно процессор поддерживает так называемое адресное пространство ввода-вывода. Адресное пространство ввода-вывода физически независимо от пространства оперативной памяти и имеет ограниченный объем, составляющий 216, или 65 536, адресов ввода/вывода.
Таким образом, порт ввода/вывода можно определить как 8-, 16- или 32-разрядный аппаратный регистр, имеющий определенный адрес в адресном пространстве ввода-вывода. Вся работа системы с устройствами на самом низком уровне выполняется с использованием портов ввода-вывода. На рис. 1. показана упрощенная концептуальная схема управления оборудованием компьютера.
Рис. 1. Упрощенная схема управления компьютером
Как видно из рисунка, самым нижним уровнем является уровень BIOS, на котором работа с оборудованием ведется напрямую через порты. Тем самым реализуется концепция независимости от оборудования. При замене оборудования потребуется лишь подправить соответствующие функции BIOS, переориентировав их на новые адреса и логику работы портов. Сведения о номерах портов, их разрядности, формате управляющей информации приводятся в техническом описании устройства. Необходимо знать лишь конечную цель требуемых действий, алгоритм, в соответствии с которым работает конкретное устройство, и порядок программирования его портов. То есть, фактически, нужно знать, что и в какой последовательности нужно послать в порт (при записи в него) или считать из него (при чтении) и как следует трактовать эту информацию. Для этого достаточно всего двух команд, присутствующих в системе команд процессора:
in <аккумулятор>,<номер_порта> — ввод в аккумулятор из порта с номером <номер_порта>;
out <номер_порта>,<аккумулятор> — вывод содержимого аккумулятора в порт с номером <номер_порта>.
Использование этих команд без проблем возможно только в программе, предназначенной для MS-DOS. При попытке их запуска в программе для Windows будет выдано сообщение об ошибке. Это не означает невозможности запуска исполняемого модуля описанной далее программы в сеансе Windows. Более того, Windows поддержит реализацию полного цикла разработки данной программы, но сделано это будет в специальном режиме работы — режиме виртуального процессора х86.
В качестве примера рассмотрим, как на уровне аппаратуры заставить компьютер издавать звуки через свой внутренний динамик. На большинстве компьютеров это будет некоторый треск. Изменяя различные параметры программы можно получить звук, напоминающий сирену.
В большинстве компьютеров есть внутренний динамик. Раньше он использовался для того, чтобы издавать звуки при работе самых различный приложений, плоть до игровых. Сейчас у него осталась единственная важная функция — воспроизведение звуков, которые генерирует BIOS на этапе тестирования и начальной загрузки.
Несмотря на то что прямой доступ к портам ввода-вывода доступен только из среды MS-DOS, сведения о номерах портов и особенностях работы с ними полезны и при программировании для Windows. Если системы Windows 95/98 практически не закрывают доступ к портам, то в Windows NT/2000/XP любая попытка обращения к ним приведет к возникновению ошибки. Причина в том, что порты являются критически важным ресурсом, и механизмы защиты Windows NT/2000/XP не могут допустить их монополизацию каким-либо приложением. Операционная система Windows NT/2000/XP предоставляет программисту функции API для работы с устройствами, посредством которых в конечном итоге и осуществляется доступ к портам посредством команд IN и OUT. Попытка использовать эти команды в программе пользователя в среде Windows NT/2000/XP приведет к возникновению исключения по недопустимому коду операции. Если программе удастся получить уровень привилегий ядра (такой уровень имеют драйверы устройств), то в этом случае она может беспрепятственно использовать команды IN и OUT и работать с устройством так же, как в среде MS-DOS.
Существуют специальные программы, которые позволяют получить доступ к портам ввода/вывода из программы пользователя, исключая необходимость написания драйвера: UserPort и PortTalk.
Специальной схемы генерации звука для внутреннего динамика нет. Сигнал для управления динамиком формируется в результате совместной работы следующих микросхем:
программируемого периферийного интерфейса (ППИ) i8255;
таймера i8253.
Общая схема формирования такого сигнала показана на рис. 2.
Основная работа по генерации звука производится микросхемой таймера. Микросхема таймера (просто таймер) имеет три канала с совершенно одинаковыми внутренней структурой и принципом работы. На каналы таймера подаются импульсы от микросхемы системных часов, которые, по сути, представляют собой генератор импульсов, работающий с частотой 1,19 МГц. Каждый канал имеет два входа и один выход. Выходы канала замкнуты на вполне определенные устройства компьютера. Так, канал 0 замкнут на контроллер прерываний, являясь источником аппаратного прерывания от таймера, которое возникает 18,2 раза в секунду. Канал 1 связан с микросхемой прямого доступа к памяти (DMA). И наконец, канал 2 выходит на динамик компьютера Структурно каналы таймера состоят из трех регистров: регистр ввода-вывода разрядностью 8 битов, регистр-фиксатор (latch register) и регистр-счетчик (counter register), оба по 16 битов.
Все регистры связаны между собой следующим образом. В регистр ввода-вывода извне помещается некоторое значение. Источником этого значения может быть либо системное программное обеспечение, либо программа пользователя. Каждый регистр ввода-вывода имеет адрес в адресном пространстве ввода-вывода (номер) порта ввода-вывода. Регистр ввода-вывода канала 2 имеет номер порта ввода вывода 42 h. Помещаемые в него значения немедленно попадают в регистр-фиксатор, где значение сохраняется до тех пор, пока в регистр ввода-вывода не будет записано новое значение. Для согласования разрядности регистров (8-ми и 16-ти разрядных) предназначен регистр управления (ему соответствует порт 43h), который является частью механизма управления всей микросхемой таймера. Он содержит слово состояния, с помощью которого производятся выбор канала, задание режима работы канала и типа операции передачи значения в канал.
Рис. 2. Схема формирования звука встроенного динамика
Структура слова состояния включает в себя:
бит 0 определяет тип константы пересчета: 0 — константа задана двоичным числом, 1 — константа задана двоично-десятичным (BCD) числом. Константа пересчета — значение, загружаемое извне в регистр-фиксатор;
биты 1-3 определяют режим работы микросхемы таймера. Всего можно определить шесть режимов, но обычно используется третий;
биты 4-5 определяют тип операции: 00 - передать значение счетчика в регистр-фиксатор (то есть возможны не только операция записи значения в канал, но и извлечение значения регистра-счетчика из него), 10 - записать в регистр-фиксатор только старший байт, 01 - записать в регистр-фиксатор только младший байт, 11 - записать в регистр-фиксатор сначала старший байт, затем младший. Поэтому формирование 16-разрядного регистра-фиксатора через 8-разрядный регистр ввода-вывода производится следующим образом: запись производится в два приема, первый байт из регистра ввода-вывода записывается на место старшего байта регистра-фиксатора, второй байт – на место младшего байта. Причем в регистр ввода-вывода эти байты помещаются командами IN и OUT;
биты 6-7 определяют номер программируемого канала.
Для формирования любого звука необходимо задать его длительность и высоту. После того как значение из регистра ввода-вывода попало в регистр-фиксатор, оно моментально записывается в регистр-счетчик. Сразу же после этого значение регистра-счетчика начинает уменьшаться на единицу с приходом каждого импульса от системных часов. На выходе любого из трех каналов таймера стоит схема логического умножения. Эта схема имеет два входа и один выход. Значение регистра-счетчика участвует в формировании сигнала на одном из входов схемы логического умножения И. Сигнал на втором входе этой схемы зависит от состояния бита 0 регистра микросхемы интерфейса с периферией (порт 61h). Когда значение в регистре-счетчике становится равным нулю, на соответствующем входе схемы И формируется единица. И если при этом на втором входе, значение которого зависит от бита 0 порта 61h, также 1, то импульс от системных часов проходит на выход канала 2. Одновременно с пропуском импульса в канале 2 немедленно производится загрузка содержимого регистра-фиксатора (которое не изменилось, если его не изменили извне) в регистр-счетчик. Весь процесс с уменьшением содержимого регистра-счетчика повторяется заново. Чем меньшее значение загружено в регистр-фиксатор, тем чаще будет происходить обнуление регистра-счетчика и тем чаще импульсы будут проходить на выход канала 2. А это означает большее значение высоты звука. Максимальное значение частоты на входе 1 динамика — 1,19 МГц. Таким образом, импульс с выхода канала 2 попадает на динамик, и если на последний подан ток, то возникает звук. Подачей тока на динамик управляет бит 1 порта 61h. Для прерывания звучания возможны два пути: первый — отключить ток, сбросив бит 1 порта 61h, второй — сбросить бит 0 порта 61h. Эти две возможности используют для создания различных звуковых эффектов. Сбрасывая и устанавливая эти биты фактически определяется длительность звучания.
Таким образом, для программирования звукового канала таймера необходимо:
Посредством порта 43 h выбрать канал, задать режим работы и тип операции передачи значения в канал.
Подать ток на динамик, установив бит 1 порта 61h.
Используя регистр АХ, поместить нужное значение в порт 42h, определив тем самым нужную высоту тона.