Вопрос 25. Программно-управляемый обмен
Программно-управляемый обмен может осуществляться одним из трех способов, называемых:
прямой (безусловный, синхронный) обмен;
условный (асинхронный) обмен (обмен по условию);
обмен с прерыванием программы.
В зависимости от используемого способа обмена программно-управляемый ввод/вывод называется соответственно
прямым вводом/выводом;
условным вводом/выводом;
вводом/выводом по прерыванию.
Прямой ввод/вывод. Используется только для процессов, строго фиксированных во времени и полностью определенных. Процедуры ввода или вывода выполняются независимо от состояния периферийного устройства. Процедуры прямого ввода/вывода в чистом виде возможны только при работе с всегда готовыми к обмену простейшими устройствами, для которых точно известно время выполнения операции (например, индикатор). Они являются составными элементами более сложных процедур программно-управляемого обмена – условного ввода/вывода и ввода/вывода по прерыванию.
Прямой ввод/вывод реализуется с помощью портов пространства IOS. Порты ввода/вывода являются простейшими схемными элементами, на основе которых реализуется связь с периферийными устройствами. Они образуют первый, наиболее близкий к МП уровень аппаратных средств подсистемы ввода/вывода. В простейшем случае этот уровень является единственным.
Быстродействия шинных формирователей и регистровых схем достаточно, чтобы поддерживать обмен с максимальной для МП скоростью, а периферийные устройства считаются всегда готовыми к обмену (поэтому такой обмен называется синхронным). Если быстродействия этих элементов недостаточно для поддержания обмена с максимальной для МП скоростью, необходимо использовать расширение длительности цикла магистрали с помощью сигнала готовности .
Условный ввод/вывод. Прямой ввод/вывод является наиболее простым видом обмена, требующим минимальных затрат аппаратных и программных средств. Однако, как правило, скорость работы периферийных устройств во много раз ниже скорости работы МП, что приводит к проблеме синхронизации обмена. Поэтому прежде чем приступить к чтению новых данных из порта ввода, необходимо удостовериться, что ПУ готово предоставить или уже предоставило эти данные. Иначе операция сведется к вводу недействительных или старых данных. Аналогичная ситуация складывается и при выводе данных, когда требуется проверка готовности ПУ к приему новых данных. В противном случае неразрешенный со стороны ПУ вывод может привести к потере данных.
Типичное решение проблемы синхронизации обмена состоит в использовании условного ввода/вывода. При условном вводе/выводе операции обмена сопровождаются специальным сигналом готовности RDY, вырабатываемом периферийным устройством и входящим в состав его слова состояния SW. Этот сигнал служит для информирования МП о готовности периферийного устройства принять или передать новые данные. После завершения операции ввода/вывода сигнал готовности (соответствующий разряд слова состояния SW) должен быть снят и выставлен заново только при новой готовности к обмену. С этой целью периферийное устройство следует проинформировать об окончании операции, для чего используется включенный в управляющее слово CW сигнал подтверждения ACK. Протокол обмена служебной информацией такого типа называется квитированием. Он обеспечивает надежную асинхронную передачу данных со скоростями, определяемыми периферийным устройством.
Состояние сигнала готовности RDY может быть определено микропроцессором путем чтения регистра состояния, в котором находится слово состояния ПУ, через соответствующий порт ввода. Сигнал подтверждения ACK может формироваться микропроцессором путем записи управляющего слова в регистр управления через соответствующий ему порт вывода. Такой вариант формирования сигналов квитирования называется программным квитированием.
В сравнении с прямым условный ввод/вывод с программным квитированием связан с увеличением аппаратных затрат, а также с потерями времени МП на ожидание готовности периферийного устройства. Однако это наиболее распространенный вид обмена с периферийными устройствами. Он используется в системах, где эффективность не связана с ожиданиями.
Признаком окончания операции может
служить само обращение к порту данных.
Это упрощает как схему порта, так и
процедуру обмена, освобождая пользователя
от работы с управляющим словом. При этом
на входе порта ввода предусматривается
регистр-защелка, фиксирующий входные
данные по стробу STB,
генерируемому периферийным устройством.
Запись во входной буфер устанавливает
флажок готовности IBF
(Input Buffer
Full), инициируя операцию
ввода. Флажок сбрасывается автоматически
при чтении МП содержимого входного
буфера. При выводе роль флажка готовности
выполняет флажок
(Output Buffer
Full). Сигналом окончания
операции вывода и установки флажка OBF
служит сигнал подтверждения ACK,
генерируемый периферийным устройством.
Ввод/вывод по прерыванию. Эффективность работы микропроцессорной системы может быть существенно повышена, если отказаться от малопроизводительного ожидания готовности ПУ на программном уровне и передать эту функцию специальным аппаратным средствам. В это время процессор может выполнять некоторую полезную работу, связанную с обработкой данных или обслуживанием других ПУ.
При готовности приступить к очередной операции ввода/вывода ПУ посылает в микропроцессор запрос на прерывание, по получении которого МП временно приостанавливает (прерывает) выполнение текущей программы и передает управление специальной подпрограмме, организующей нужный вид обмена данными. После обслуживания ПУ микропроцессор возвращается к прерванной программе, продолжая ее с момента приостановки. Обслуживание прерываний осуществляется в незаметном для основной программы режиме, поэтому их наличие прямо не влияет на работу последней, за исключением времени ее исполнения.
Обслуживание ввода/вывода по прерыванию является альтернативой двум другим видам программно-управляемого обмена. Если при чисто программном управлении как начало процедуры, так и непосредственное ее исполнение находятся под управлением программы, то обслуживание по прерыванию инициируется аппаратными средствами.
Таким образом, обмен с прерываниями отличается от условного (асинхронного) программно-управляемого обмена тем, что переход к выполнению команд, физически реализующих обмен данными (командам ввода/вывода), осуществляется с помощью специальных аппаратных средств. Команды обмена данными в этом случае выделяют в отдельный программный модуль – подпрограмму обработки прерывания. Задачей аппаратных средств обработки прерываний в МП является приостановка выполнения одной программы (основной) и передача управления подпрограмме обработки прерывания. Действия, выполняемые при этом МП, как правило, те же, что и при обращении к подпрограмме. Только при обращении к подпрограмме они инициируются специальной командой, а при обработке прерывания – сигналом от ПУ, который называют запросом прерывания.
Эта важная особенность обмена с прерыванием программы позволяет организовать обмен данными с ПУ в произвольные моменты времени, не зависящие от программы, выполняемой в МП. Таким образом, появляется возможность обмена данными с ПУ в реальном масштабе времени, определяемом внешней по отношению к микропроцессорной системе средой. Кроме того, обмен с прерыванием программы существенным образом экономит время процессора, затрачиваемое на обмен, за счет того, что исчезает необходимость в организации программных циклов ожидания готовности ПУ (особенно при обмене с медленнодействующими ПУ).