Окно Микрокомандный уровень (рис. 8.8) используется только в режиме микрокоманд, который устанавливается командой Режим микрокоманд меню Работа. В это окно выводится мнемокод выполняемой команды, список микрокоманд, ее реализующих, и указатель на текущую выполняемую микрокоманду.
Шаговый режим выполнения программы или запуск программы в автоматическом режиме с задержкой командного цикла позволяет наблюдать процесс выполнения программы на уровне микрокоманд.
Если открыть окно Микрокомандный уровень, не установив режим микрокоманд в меню Работа, то после начала выполнения программы в режиме Шаг (или в автоматическом режиме) в строке сообщений окна будет выдано сообщение "Режим микрокоманд неактивен".
Окно Кэш-память
Окно Кэш-память используется в режиме с подключенной кэш-памятью. Подробнее смотрите об этом режиме в разд. 8.8.
Внешние устройства
Модели внешних устройств (ВУ), используемые в описываемой системе, реализованы по единому принципу. С точки зрения процессора они представляют
собой ряд программно-доступных регистров, лежащих в адресном пространстве ввода/вывода. Размер регистров ВУ совпадает с размером ячеек памяти и регистров данных процессора — шесть десятичных разрядов.
Доступ к регистрам ВУ осуществляется по командам in aa, out aa, где aa — двухразрядный десятичный адрес регистра ВУ. Таким образом, общий объем адресного пространства ввода/вывода составляет 100 адресов. Следует помнить, что адресные пространства памяти и ввода/вывода в этой модели разделены.
Разные ВУ содержат различное число программно-доступных регистров, каждому из которых соответствует свой адрес, причем нумерация адресов всех ВУ начинается с 0. При создании ВУ ему ставится в соответствие базовый адрес в пространстве ввода/вывода, и все адреса его регистров становятся смещениями относительно этого базового адреса.
Если в системе создаются несколько ВУ, то их базовые адреса следует выбирать с учетом величины адресного пространства, занимаемого этими устройствами, исключая наложение адресов.
Если ВУ способно формировать запрос на прерывание, то при создании ему ставится в соответствие вектор прерывания — десятичное число. Разным ВУ должны назначаться различные векторы прерываний.
Программная модель учебной ЭВМ комплектуется набором внешних устройств, включающим:
□ контроллер клавиатуры;
□ дисплей;
□ блок таймеров;
□ тоногенератор,
которым по умолчанию присвоены параметры, перечисленные в табл. 8.2.
Таблица 8.2. Параметры внешних устройств
| Внешнее устройство | Базовый адрес | Адреса регистров | Вектор прерывания |
| Контроллер клавиатуры | 0,1,2 | ||
| Дисплей | 0, 1,2, 3 | Нет | |
| Блок таймеров | 0, 1,2,3,4,5,6 | ||
| Тоногенератор | 0, 1 | Нет |
При создании устройств пользователь может изменить назначенные по умолчанию базовый адрес и вектор прерывания.
В описываемой версии системы не предусмотрена возможность подключения в систему нескольких одинаковых устройств.
Большинство внешних устройств содержит регистры управления CR и состояния SR, причем обычно регистры CR доступны только по записи, а SR— по чтению.
Регистр CR содержит флаги и поля, определяющие режимы работы ВУ, а SR — флаги, отражающие текущее состояние ВУ. Флаги SR устанавливаются аппаратно, но сбрасываются программно (или по внешнему сигналу). Поля и флаги CR устанавливаются и сбрасываются программно при записи кода данных в регистр CR или специальными командами.
Контроллер ВУ интерпретирует код, записываемый по адресу CR как команду, если третий разряд этого кода равен 1, или как записываемые в CR данные, если третий разряд равен 0. В случае получения командного слова запись в регистр CR не производится, а пятый разряд слова рассматривается как код операции.
Контроллер клавиатуры
Контроллер клавиатуры (рис. 8.9) представляет собой модель внешнего устройства, принимающего ASCII-коды (Сокр. от American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код обмена информацией.) от клавиатуры ПЭВМ.
Символы помещаются последовательно в буфер символов, размер которого установлен равным 50 символам, и отображаются в окне обозревателя (рис. 8.10).
В состав контроллера клавиатуры входят три программно-доступных регистра:
□ DR (адрес 0) — регистр данных;
□ CR (адрес 1)— регистр управления, определяет режимы работы контроллера и содержит следующие флаги:
• Е — флаг разрешения приема кодов в буфер;
• I — флаг разрешения прерывания;
• S — флаг режима посимвольного ввода.
□ SR (адрес 2) — регистр состояния, содержит два флага:
• Err — флаг ошибки;
• Rd — флаг готовности.
Регистр данных DR доступен только для чтения, через него считываются ASCII-коды из буфера, причем порядок чтения кодов из буфера соответствует порядку их записи в буфер — каждое чтение по адресу 0 автоматически перемещает указатель чтения буфера. В каждый момент времени DR содержит код символа по адресу указателя чтения буфера.
Флаги регистра управления CR устанавливаются и сбрасываются программно.
Флаг Е, будучи установленным, разрешает прием кодов в буфер. При Е = о контроллер игнорирует нажатие на клавиатуре, прием кодов в буфер не производится. На считывание кодов из буфера флаг Е влияния не оказывает.
Флаг I, будучи установленным, разрешает при определенных условиях фор. мирование контроллером запроса на прерывание. При 1 = 0 запрос на прерывание не формируется.
Флаг S = 1 устанавливает т. н. режим посимвольного ввода, иначе контроллер работает в обычном режиме. Флаг S устанавливается и сбрасывается программно, кроме того, S сбрасывается при нажатии кнопки Очистить буфер в окне Контроллер клавиатуры.
Условия формирования запроса на прерывание определяются, с одной стороны, значением флага разрешения прерывания I, с другой — режимом работы контроллера. В режиме посимвольного ввода запрос на прерывание формируется после ввода каждого символа (разумеется, при I = 1), в обычном режиме запрос будет сформирован по окончании набора строки.
Завершить набор строки можно, щелкнув по кнопке Завершить ввод в окне Контроллер клавиатуры (см. рис. 8.10). При этом устанавливается флаг готовности Rd (от англ. ready) в регистре состояния SR. Флаг ошибки Err (от англ. error) в том же регистре устанавливается при попытке ввода в буфер 51 -го символа. Ввод 51 -го и всех последующих символов блокируется.
Сброс флага Rd осуществляется автоматически при чтении из регистра DR, флаг Err сбрасывается программно. Кроме того, оба эти флага сбрасываются при нажатии кнопки Очистить буфер в окне Контроллер клавиатуры; одновременно со сбросом флагов производится очистка буфера— весь буфер заполняется кодами 00h, и указатели записи и чтения устанавливаются на начало буфера.
Для программного управления контроллером предусмотрен ряд командных слов. Все команды выполняются при записи по адресу регистра управления CR кодов с 1 в третьем разряде.
Контроллер клавиатуры интерпретирует следующие командные слова:
□ xxxl0l — очистить буфер (действие команды эквивалентно нажатию кнопки Очистить буфер);
□ ххх 102 — сбросить флаг Err в регистре SR;
□ ххх 103 — установить флаг S в регистре CR;
□ ххх 104 — сбросить флаг S в регистре CR.
Если по адресу 1 произвести запись числа хххОnn, то произойдет изменение 4-го и 5-го разрядов регистра CR по следующему правилу:
Дисплей
Дисплей (рис. 8.11) представляет собой модель внешнего устройства, реализующую функции символьного дисплея. Дисплей может отображать символы, задаваемые ASCII-кодами, поступающими на его регистр данных. Дисплей включает:
□ видеопамять объемом 128 слов (ОЗУ дисплея);
□ символьный экран размером 8 строк по 16 символов в строке;
□ четыре программно-доступных регистра:
• DR (адрес 0) — регистр данных;
• CR (адрес 1) — регистр управления;
• SR (адрес 2) — регистр состояния;
• AR (адрес 3) — регистр адреса.
Через регистры адреса AR и данных DR по записи и чтению осуществляется доступ к ячейкам видеопамяти. При обращении к регистру DR по записи содержимое аккумулятора записывается в DR и в ячейку видеопамяти, адрес которой установлен в регистре AR.
Регистр управления CR доступен только по записи и содержит в 4-м и 5-м разрядах соответственно два флага:
- Е — флаг разрешения работы дисплея; при Е = 0 запись в регистры AR и DR блокируется;
- А — флаг автоинкремента адреса; при А = 1 содержимое AR автоматически увеличивается на 1 после любого обращения к регистру DR— по записи или чтению.
Изменить значения этих флагов можно, если записать по адресу CR (по умолчанию — 11) код хххОnn, при этом изменение 4-го и 5-го разрядов регистра CR произойдет согласно выражению (8.1).
Для программного управления дисплеем предусмотрены две команды, коды которых должны записываться по адресу регистра CR, причем в третьем разряде командных слов обязательно должна быть 1:
□ xxxl0l — очистить дисплей (действие команды эквивалентно нажатию кнопки Очистить в окне Дисплей), при этом очищается видеопамять (в каждую ячейку записывается код пробела— 032), устанавливается в 000 регистр адреса AR и сбрасываются флаги ошибки Err и автоинкремента А;
□ ххх102 — сбросить флаг ошибки Err.
Регистр состояния SR доступен только по чтению и содержит единственный флаг (в пятом разряде) ошибки Err. Этот флаг устанавливается аппаратно при попытке записать в регистр адреса число, большее 127, причем как в режиме прямой записи в AR, так и в режиме автоинкремента после обращения по адресу 127. Сбрасывается флаг Err программно или при нажатии кнопки Очистить в окне Дисплей (рис. 8.12).
Блок таймеров
Блок таймеров (рис. 8.13) включает в себя три однотипных канала, каждый из которых содержит:
О пятиразрядный десятичный реверсивный счетчик Т, на вход которого поступают метки времени (таймер); П программируемый предделитель D;
□ регистр управления таймером CTR;
□ флаг переполнения таймера FT.
Регистры таймеров Т доступны по записи и чтению (адреса 1, 3, 5 соответственно для Tl, T2, ТЗ). Программа в любой момент может считать текущее содержимое таймера или записать в него новое значение. На входы предделителей поступает общие для всех каналов метки времени CLK с периодом 1 мс. Предделители в каждом канале программируются независимо, поэтому таймеры могут работать с различной частотой.
Регистры управления CTR доступны по записи и чтению (адреса 2, 4, 6) и содержат следующие поля:
□ Т (разряд 5) — флаг включения таймера;
□ EI (разряд 4)— флаг разрешения формирования запроса на прерывание при переполнении таймера;
□ I/D (разряд 3) — направление счета (инкремент/декремент), при I/D = о таймер работает на сложение, при I/D =1 — на вычитание;
□ k (разряды [1:2]) — коэффициент деления предделителя (от 1 до 99).
Флаги переполнения таймеров собраны в один регистр — доступный только по чтению регистр состояния SR, имеющий адрес 0. Разряды регистра (5, 4 и 3 для Tl, T2, ТЗ соответственно) устанавливаются в 1 при переполнении соответствующего таймера. Для таймера, работающего на сложение, переполнение наступает при переходе его состояния из 99 999 в 0, для вычитающего таймера — переход из 0 в 99 999.
В окне обозревателя (рис. 8.14) предусмотрена кнопка Сброс, нажатие которой сбрасывает в 0 все регистры блока таймеров, кроме CTR, которые устанавливаются в состояние 001000. Таким образом, все три таймера обнуляются, переключаются в режим инкремента, прекращается счет, запрещаются прерывания, сбрасываются флаги переполнения и устанавливаются коэффициенты деления предделителей равными 01.
Программное управление режимами блока таймеров осуществляется путем записи в регистры CTR соответствующих кодов. Запись по адресу SR числа с 1 в третьем разряде интерпретируется блоком таймеров как команда, причем младшие разряды этого числа определяют код команды:
- ххх100 — общий сброс (эквивалентна нажатию кнопки Сброс в окне обозревателя);
- xxxl0l — сброс флага переполнения таймера FT1; О хххЮ2 — сброс флага переполнения таймера FT2; О ххх103 — сброс флага переполнения таймера FT3.
Тоногенератор
Модель этого простого внешнего устройства не имеет собственного обозревателя, содержит всего два регистра, доступных только для записи:
□ FR (адрес 0) — регистр частоты звучания (Гц):
□ LR (адрес 1) — регистр длительности звучания (мс).
По умолчанию базовый адрес тоногенератора— 30. Сначала следует записать в FR требуемую частоту тона в герцах, затем в LR—- длительность звучания в миллисекундах. Запись числа по адресу регистра LR одновременно является командой на начало звучания.
Подсистема прерываний
В модели учебной ЭВМ предусмотрен механизм векторных внешних прерываний. Внешние устройства формируют запросы на прерывания, которые поступают на входы контроллера прерываний. При подключении ВУ, способного формировать запрос на прерывание, ему ставится в соответствие номер входа контроллера прерываний — вектор прерывания, принимающий значение в диапазоне 0—9.
Контроллер передает вектор, соответствующий запросу, процессору, который начинает процедуру обслуживания прерывания.
Каждому из возможных в системе прерываний должен соответствовать т. н. обработчик прерывания — подпрограмма, вызываемая при возникновении события конкретного прерывания.
Механизм прерываний, реализованный в модели учебной ЭВМ, поддерживает таблицу векторов прерываний, которая создается в оперативной памяти моделью операционной системы (если она используется) или непосредственно пользователем.
Номер строки таблицы соответствует вектору прерывания, а элемент таблицы — ячейка памяти, в трех младших разрядах которой размещается начальный адрес подпрограммы, обслуживающей прерывание с этим вектором.
Таблица прерываний в рассматриваемой модели жестко фиксирована — она занимает ячейки памяти с адресами 100—109. Таким образом, адрес обработчика с вектором 0 должен располагаться в ячейке 100, с вектором 2 — в ячейке 102. При работе с прерываниями не рекомендуется использовать ячейки 100—109 для других целей.
Процессор начинает обработку прерывания (если они разрешены), завершив текущую команду. При этом он:
1. Получает от контроллера вектор прерывания.
2. Формирует и помещает в верхушку стека слово, три младших разряда ([3:5]) которого — текущее значение PC (адрес возврата из прерывания), а разряды [1:2] сохраняют десятичный эквивалент шестнадцатеричной цифры, определяющей значение вектора флагов (I, OV, S, Z). Например, если 1=1, OV = 0, S = 1, Z = 1, то в разряды [1:2] запишется число 1110 = 10112.
3. Сбрасывает в 0 флаг разрешения прерывания I.
4. Извлекает из таблицы векторов прерываний адрес обработчика, соответствующий обслуживаемому вектору, и помещает его в PC, осуществляя тем самым переход на подпрограмму обработчика прерывания.
Таким образом, вызов обработчика прерывания, в отличие от вызова подпрограммы, связан с помещением в стек не только адреса возврата, но и текущего значения вектора флагов. Поэтому последней командой подпрограммы обработчика должна быть команда iret, которая не только возвращает в PC три младшие разряда ячейки — верхушки стека (как ret), но и восстанавливает те значения флагов, которые были в момент перехода на обработчик прерывания.
Не всякое событие, которое может вызвать прерывание, приводит к прерыванию текущей программы. В состав процессора входит программно-доступный флаг I разрешения прерывания. При 1 = 0 процессор не реагирует на запросы прерываний. После сброса процессора флаг I так же сброшен и все прерывания запрещены. Для того чтобы разрешить прерывания, следует в программе выполнить команду ei (от англ. enable interrupt).
Выше отмечалось, что при переходе на обработчик прерывания флаг 1 автоматически сбрасывается, в этом случае прервать обслуживание одного прерывания другим прерыванием нельзя. По команде iret значение флагов восстанавливается, в т. ч. вновь устанавливается 1 = 1, следовательно, в основной программе прерывания опять разрешены.
Если требуется разрешить другие прерывания в обработчике прерывания, достаточно в нем выполнить команду ei. Контроллер прерываний и процессор на аппаратном уровне блокируют попытки запустить прерывание, если его обработчик начал, но не завершил работу.
Таким образом, флаг I разрешает или запрещает все прерывания системы - Если требуется выборочно разрешить некоторое подмножество прерывании,
используются программно-доступные флаги разрешения прерываний непосредственно на внешних устройствах.
Как правило, каждое внешнее устройство, которое может вызвать прерывание, содержит в составе своих регистров разряд флага разрешения прерывания (см. формат регистров CR и CTR на рис. 8.9, 8.13), по умолчанию установленный в 0. Если оставить этот флаг в нуле, то внешнему устройству запрещается формировать запрос контроллеру прерываний. Иногда бывает удобно (например, в режиме отладки) иметь возможность вызвать обработчик прерывания непосредственно из программы. Если использовать для этих целей команду call, которая помещает в стек только адрес возврата, то команда iret, размещенная последней в обработчике, может исказить значения флагов (все они будут сброшены в 0, т. к. команда call формирует только три младшие разряда ячейки верхушки стека, оставляя остальные разряды в 000).
Поэтому в системах команд многих ЭВМ, в т. ч. и нашей модели, имеются команды вызова прерываний— int л (в нашей модели л е {0, 1,..., 9}), где п — вектор прерывания. Процессор, выполняя команду int л, производит те же действия, что и при обработке прерывания с вектором л.
Характерно, что с помощью команды int л можно вызвать обработчик прерывания даже в том случае, когда флаг разрешения прерывания I сброшен.
