Организация ввода - вывода микропроцессорного устройства

Ввод _ вывод _ это процесс обмена данными между ядром микропроцессорного устройства и периферийными устройствами. В микропроцессорном устройстве применяют три режима:

• программный;
• по прерываниям;
• прямой доступ к памяти.

Группа бит, к которым обращается микропроцессор при вводе _ выводе, называется портом или регистром ввода _ вывода. При вводе выводе периферийные устройства представлены следующей программной моделью (рис.10).

Все реестры имеют адрес, в зависимости от конкретной реализации порты могут объединяться. Признак готовности периферийного устройства к вводу _ выводу обычно содержится в одном из разрядов порта состояния, различают изолированный и неизолированный ввод _ вывод. В первом случае в системе команд есть специальные команды ввода _ вывода, в которых содержится номер порта, указываемый во втором слове код операции ввода _ вывода. Адресное пространство портов и ячеек памяти в этом случае изолированы, так как для пересылки в память имеются особые команды. В этом случае адреса портов ввода _ вывода, некоторых, ячеек могут совпадать. Во втором случае адресные пространства едины и совпадения адресов нет. При постоянном способе ввода _ вывода инициализируется программой выполняемой в микропроцессорном устройстве. При вводе _ выводе важна проверка готовности периферийного устройства, то есть состояние определяющего бита порта состояния. В некоторых микропроцессорах, это делается независимо от вида команды и при неготовности периферийного устройства микропроцессор переходит в состояние ожидания. Тем самым достигается согласование во времени работы микропроцессора и более медленных периферийных устройств. При асинхронном вводе _ выводе в программу включаются специальные команды проверки готовности.
Микропроцессор проверяет бит готовности с помощью одной или нескольких команд. Если бит установлен в единицу, то инициируется собственно ввод или вывод одного или нескольких слов данных. Если бит сброшен, то микропроцессор выполняет цикл из двух-трех команд, проверяющих состояние бита до тех пор пока периферийное устройство не будет готово к вводу выводу. Этот цикл называется циклом ожидания. Из-за него микропроцессор непроизводительно теряет время, что является главным недостатком программного ввода вывода, достоинство: простота реализации без дополнительных аппаратных затрат.
Ввод вывод по прерываниям лишен недостатка программного ввода вывода и применяется при работе в реальном времени. Периферийное устройство подает сигнал `запрос прерывания' на соответствующий вход микропроцессора. Микропроцессор после выполнения текущей команды приостанавливает выполнение основной программы, вырабатывает сигнал подтверждения прерывания и переходит к подпрограмме обработки прерывания, расположенной в фиксированной области памяти. После выполнения этой подпрограммы происходит возврат к основной программе. Для реализации подпрограммы обработки прерывания в микропроцессоре должны выполнятся следующие действия:

• идентификация источника прерывания;
• сохранение состояния основных регистров микропроцессора с тем, чтобы обеспечить возможность возобновления прерванной программы;
• собственное выполнение программы обработки прерывания;
• восстановление запомненного состояния основных регистров микропроцессора;
• возврат к выполнению основной программы.

Данная последовательность действий может реализоваться в двух вариантах: с опросом периферийных устройств и по вектору прерывания. Наиболее распространенным является второй способ. В этом случае в ответ на сигнал подтверждения прерывания периферийное устройство посылает в микропроцессор параллельный двоичный код, вектор прерывания по которому управление передается соответствующей подпрограмме обслуживания прерываний. При наличии нескольких периферийных устройств возможна ситуация при которой во время обслуживания запроса прерывания от одного периферийного устройства поступает запрос от другого. Если оно более приоритетно, то происходит вложение прерываний (т.е. прерывание прерывания). Для создания систем приоритетных прерываний используются контроллеры прерываний. С помощью специальных команд запрещающих прием запроса прерывания можно управлять способностью микропроцессора реагировать на запрос прерывания, например для защиты определенных критичных по времени частей программы, некоторые прерывания, например связанные с аварией питания замаскировать нельзя.