Общая структура МПС

1. обнаружение изменения состояния внешней среды (запрос на прерывание);
2. идентификация источника прерывания;
3. разрешение конфликтной ситуации в случае одновременного возникновения нескольких запросов (приоритет запросов);
4. определение возможности прерывания текущей программы (приоритет программ);
5. фиксация состояния прерываемой (текущей) программы;
6. переход к программе, соответствующей обслуживаемому прерыванию;
7. возврат к прерванной программе после окончания работы прерывающей программы.

Рассмотрим варианты реализации в  МПС перечисленных выше функций.

(1) Фиксация изменения состояния  внешней среды может осуществляться  различными средствами: двоичными датчиками, компараторами, схемами формирования состояний и т.п. Будем полагать, что все эти средства формируют в конечном итоге логические сигналы запроса на прерывание z, причем для определенности будем считать, что активное состояние этого сигнала передается уровнем логической единицы (H - уровень).

Количество источников запросов в МПС может быть различно, в том числе и довольно велико. Дефицит внешних выводов МП исключает возможность передачи запросов от ВУ по "собственным" линиям интерфейса. Обычно на одну линию запроса подключается несколько источников прерываний (по функции ИЛИ), а иногда и все источники системы - на единственный вход (как в i8080).

Рис. 5.1. Организация векторного прерывания

 

Различают два типа входов запросов на прерывания - радиальные и векторные. Процессор анализирует состояние входов запросов в конце каждого машинного цикла.

(2) Получив запрос на прерывание, процессор должен идентифицировать  его источник, т.е. в конечном счете, определить начальный адрес обслуживающей это прерывание программы. Способ идентификации зависит от типа входа, на который поступил запрос.

Каждый радиальный вход связан с  определенным адресом памяти, по которому размещается указатель на обслуживающую программу или сама программа. Если на радиальный вход поступает несколько запросов, то необходимо осуществить программную идентификацию источника путем последовательного (в порядке убывания приоритетов) опроса всех возможных источников прерывания. Этот способ не требует дополнительных аппаратных затрат и одновременно решает проблему приоритета запросов (3), однако время реакции системы на запрос может оказаться недопустимо велико, особенно при большом числе источников прерываний.

Гораздо чаще в современных МПС  используется т.н. "векторная" подсистема прерываний (Рис. 5.1). В такой системе микропроцессор, получив запрос на векторном входе INT, выдает на свою выходную линию сигнал подтверждения прерывания INTA, поступающий на все возможные источники прерывания. Источник, не выставивший запроса, никак не реагирует на сигнал INTA. Источник, выставивший запрос, получая сигнал INTA, выдает на системную шину данных "вектор прерывания" – свой номер или адрес обслуживающей программы или, чаще, адрес памяти, по которому расположен указатель на обслуживающую программу. Время реакции МПС на запрос векторного прерывания минимально (1..3 машинных цикла) и не зависит от числа источников.

(3) Для исключения конфликтов  при одновременном возникновении  нескольких запросов на векторном входе ответный сигнал INTA подается на источники запросов не параллельно, а последовательно – в порядке убывания приоритетов запросов. Источник, не выставлявший запроса, транслирует сигнал INTA со своего входа на выход, а источник, выставивший запрос, блокирует дальнейшее распространение сигнала INTA. Таким образом, только один источник, выставивший запрос, получит от процессора сигнал INTA и выдаст по нему свой вектор на шину данных.

Более гибко решается проблема организации  приоритетов запросов при использовании в МПС специальных контроллеров прерываний (см. ниже).

Конфликты на радиальном входе исключаются  самим порядком программного опроса источников.

(4) Прерывание в общем случае  может возникать не только  при решении "фоновой" задачи, но и в момент работы другой  прерывающей программы, причем  не всякую прерывающую программу допустимо прерывать любым запросом. В фоновой задаче так же могут встречаться участки, при работе которых прерывания (все или некоторые) недопустимы. В общем случае в каждый момент времени работы процессора должно быть выделено подмножество запросов, которым разрешено прерывать текущую программу.

В МПС эта задача решается на нескольких уровнях. В процессоре обычно предусматривается программно-доступный флаг разрешения/запрещения прерывания, значение которого определяет возможность или невозможность всех прерываний. Для создания более гибкой системы приоритетов программ на каждом источнике прерываний может быть предусмотрен специальный программно-доступный триггер разрешения формирования запроса. В таком случае возможно формирование произвольного подмножества разрешенных в данный момент источников прерываний.

В МП: машинный такт - машинный цикл - командный цикл. Рассмотрим возможность прерывания программы по окончанию различных процессов. Учитывая, что прерванная программа должна быть запущена по окончании работы прерывающей с того места, где она была прервана, подсистема прерываний МПС должна обеспечить фиксацию полного состояния прерываемой программы на момент прерывания.

При прерывании после текущего машинного  такта требуется запоминать не только состояние всех регистров процессора (программно-доступных и системных), но и состояние первичного управляющего автомата. Реализация процедуры фиксации состояния и последующего восстановления потребует значительных затрат дополнительного оборудования и/или времени.

Значительный объем информации требуется запоминать и при прерывании программы после текущего машинного цикла (выбранный фрагмент или всю команду, выбранные операнды или сформированные адреса).

Поэтому в большинстве МП прерывание может осуществляться после выполнения очередной команды. Состояние программы в этом случае характеризуется содержимым счетчика команд (адрес следующей команды), а так же содержимым РОН и регистра флагов. Процедура перехода к прерывающей программе и последующего возврата из нее может быть полностью идентична действиям, выполняемым по командам ВЫЗОВ и ВОЗВРАТ. Состояние программного счетчика (а иногда и регистра флагов или PSW) аппаратно фиксируется в стеке, а значение РОНов - при необходимости программно в самом тексте прерывающей программы. Учитывая, что большинство команд МП являются короткими, время реакции МПС на запрос прерывания при анализе запросов по завершению текущего командного цикла не бывает большим.

 

10 .Контроллер приоритетов прерываний

 

Внешние устройства, включенные в  подсистему прерываний, должны реализовать несколько функций, связанных с работой в этой подсистеме - формирование запроса, анализ ответа процессора, выдачу вектора прерывания. Кроме того, в подсистеме необходимо обеспечить дисциплину обслуживания запросов. Перечисленные функции могут быть реализованы на специальных устройствах - контроллерах прерываний, которые выпускаются в виде БИС в составе многих микропроцессорных комплектов.

Параллельный арбитраж осуществляется с помощью специального устройства-арбитра (в этом случае используется КПП).

Основные функции КПДП:

1. получить запросы прерываний от устройств и сформировать сигнал запроса прерывания на входе МП.
2. установка и смена приоритетов при одновременном поступлении запросов
3. маскирования запросов по команде процессора
4. сообщить МП начальный адрес подпрограммы обслуживания прерываний в соответствии с тем, какой запрос будет удовлетворен.

 

 

Взаимодействие МП с КПП осуществляется с помощью сигналов запроса прерываний от КПП и подтверждения прерывания по МУ. При поступлении запроса прерывания от УВВ КПП, в случае если запрос не маскирован, выдает сигнал запроса прерывания основной программы на МП. МП завершает выполнение текущей команды, в стеке запоминается адрес возврата в подпрограмму. Сигналом подтверждения прерывания по МУ запрашивается вектор прерывания от КПП. КПП выставляет на МД адрес подпрограммы обслуживания прерывания или вектор прерывания (информация по которой можно найти адрес начала подпрограммы обслуживания устройства). После сообщения МП вектора прерывания снимается запрос прерывания от КПП, выполняется подпрограмма обслуживания, снимается сигнал запроса от УВВ.

11. Подсистема прямого доступа в память МПС. Контроллер прямого доступа памяти (КПДП)

КПДП служит для организации  обмена данных между устройствами минуя процессор. Контроллер используется в МПС если необходимо переслать большой объем информации. Его применение увеличивает быстродействие обмена информации.

Функции КПДП:

1. получение запросов на режим ПДП от УВВ
2. формирование сигнала запроса захвата магистрали на входе МП
3. информирование МП о завершении обмена
4. определение приоритета устройств в случае поступления одновременно нескольких запросов и информирование выбранного устройства о начале обмена
5. задания необходимого числа обращений к устройству.

Обмен данными между устройствами с использованием ПДП: устройство ввода  и память; между памятью и устройством  вывода; между  двумя областями  памяти.

Принцип работы КПДП. МП с КПДП взаимодействует при помощи сигналов запроса захвата магистрали МП и сигнала подтверждения захвата магистрали.

Получив сигнал запроса от устройства, КПДП выдает процессору сигнал запроса  захвата. Процессор заканчивает  текущую команду, отключается от магистралей (Кеш память) и формирует  сигнал подтверждения захвата магистрали. Получив магистраль КПДП определяет устройство, запрос которого имеет наивысший приоритет и выдает ему сигнал подтверждающий прием информации от устройства. За время выдачи этого сигнала производится одно обращение к магистралям. КПДП будет повторять обращение до тех пор, пока устройство не снимет запрос обмена. КПДП заканчивает обращение, отключается от магистрали, информирует об этом МП сигналом запроса захвата и его снятием. МП подключается к магистралям и продолжает работу.

12. Подсистема памяти МПС

Распределение адресного  пространства

 

Объем адресного пространства МПС  с интерфейсом "Общая шина" определяется главным образом разрядностью шины адреса и, кроме того, номенклатурой  управляющих сигналов интерфейса. Управляющие  сигналы могут определять тип объекта, к которому производится обращение (ОЗУ, ВУ, стек, специализированные ПЗУ и др.). В случае, если МП не выдает сигналов, идентифицирующих пассивное устройство (или они не используются в МПС), - для селекции используются только адресные линии. Число адресуемых объектов составляет в этом случае 2^k, где k - разрядность шины адреса. Будем называть такое адресное пространство "единым". Иногда говорят, что ВУ в едином адресном пространстве "отображены на память", т.е. адреса ВУ занимают адреса ячеек памяти. Пример организации селекции устройств в едином адресном пространстве МПС на базе i8080 и распределение адресного пространства показаны на Рис. 7.1 и Рис. 7.2 соответственно.

 

Рис. 7.1. Структура единого адресного пространства

 

0000     0FFF	1000                                                                                       FEFF	FF00     FFFF
ПЗУ 4К	ОЗУ  до 59,75К	ВУ 0,25К

Рис. 7.2. Пример распределения единого адресного пространства

При небольших объемах памяти в  МПС целесообразно использовать некоторые адресные линии непосредственно в качестве селектирующих (Рис. 7.3), что позволяет уменьшить объем оборудования МПС за счет исключения селектора адреса. При этом, однако, адресное пространство используется крайне неэффективно.

При использовании информации о  типе устройства, к которому идет обращение, можно одни и те же адреса назначать для разных устройств, осуществляя селекцию с помощью управляющих сигналов.

Так, большинство МП выдают в той  или иной форме информацию о типе обращения. В результате в большинстве  интерфейсов присутствуют отдельные  управляющие линии для обращения к памяти и вводу/ выводу, реже - стеку или специализированному ПЗУ. В результате суммарный объем адресного пространства МПС может превышать величину 2^k.

Диспетчер памяти

 

При необходимости расширить объем  памяти за пределы адресного пространства можно воспользоваться т.н. "диспетчером памяти". В простейшем случае он представляет собой программно-доступный регистр, который должен располагаться в пространстве ввода/вывода. В него заносится номер активного в данный момент банка памяти, причем объем банка может равняться объему адресного пространства МП (2^k).

Очевидно, в каждый момент времени  процессору доступен только один банк. При необходимости перехода в другой банк памяти МП должен предварительно выполнить программную процедуру (часто всего одну команду) перезагрузки содержимого номера банка. Сказанное иллюстрируется Рис. 7.44. К развитию этой идеи можно отнести механизм сегментации памяти в 16- и 32-разрядных МП фирмы INTEL.

 

Рис. 7.4. Использование диспетчера памяти

 

Запоминающие устройства

 

Память может быть внутренней и  внешней. Внешней называют память на магнитных, оптических дисках, лентах и т.п. Внутренняя память выполняется, чаще всего, на микросхемах. Внутренняя или основная память может быть двух типов: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) и постоянное ЗУ (ПЗУ). ОЗУ, кроме того, обозначается - (RAM, Random Access Memory), а ПЗУ - (ROM, Read Only Memory). Получила также распространение Флэш(Flash) память, имеющая особенности и ОЗУ и ПЗУ и энергонезависимая память (Nonvolatile - NV) на батарейках. Последнее название условно, так как ПЗУ и Флэш память, также энергонезависимы. В ОЗУ коды в соответствии с решаемыми задачами постоянно изменяются и полностью пропадают при выключении питания. В ПЗУ хранятся управляющие работой ЭВМ стандартные программы, константы, таблицы символов и другая информация, которая сохраняется и при выключении компъютера. ОЗУ подразделяются на статическую память (SRAM), динамическую (DRAM), регистровую (RG). ПЗУ могут быть: масочными - запрограммированными на заводе изготовителе (ROM), однократно-программируемыми пользователем ППЗУ (PROM или OTP), многократно-программируемыми (репрограммируемыми) пользователем РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM) или c электрическим стиранием (EEPROM). Широкое распространение нашли также программируемые логические матрицы и устройства (PLM, PML, PLA, PAL, PLD, FPGA и т.д.) с большим выбором логических элементов и устройств на одном кристалле.