Bài giảng Thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối - Chương 3: Các phương pháp trao đổi thông tin - Bùi Quốc Anh

1P&I Ch3: Methodes 1 CH. 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI THÔNG TIN • Polling - Thăm dò • Interrupt - ngắt & • DMA - truy nhập trực tiếp mem - IO P&I Ch3: Methodes 2 3.1. Phương pháp thăm dò (polling) • K/n Polling: Dùng phần mềm để kiểm tra các cờ trạng thái @ IO Ports => quyết định trao đổi số liệu hay không. • Nhanh, đơn giản, thường dùng trong các hệ nhỏ hoặc đơn nhiệm - ít thiết bị IO, • Tốt cho việc thử nghiệm, • Có thể đa nhiệm cho các đối tượng có hằng số thời gian >>, các thiết bị ngoại vi tần suất truy nhập thấp, tốc độ chậm. Ví dụ các kênh đo nhiệt độ, • Không phù hợp với ‘đa nhiệm’, đặc biệt trong máy tính 2P&I Ch3: Methodes 3 Ví dụ về PP polling • Cổng Comm (RS232) của máy tính PC: – Thanh ghi Line Status Register có các bit: • b0 – Char received, đã thu xong 1 char, • b1 – Overrun Error, char bị xóa đè • b2 – Parity Error • b3 – Framing Error • B4 – Break Interrupt • B5 – TxHR Empty, thanh ghi phát rỗng, gửi tiếp • B6 – Char transmitted – Polling: thu - kiểm tra b0, phát kiểm tra – b5 P&I Ch3: Methodes 4 Một lưu đồ thăm dò: Polling Device #1 Y Request ? N Device #2 Y Request ? N Device #n Y Request ? N Device #1 Service Routine Device #2 Service Routine Device #n Service Routine Quit Hình 3.1. Lưu đồ phương pháp IO interface polling 3P&I Ch3: Methodes 5 3.2. Phương pháp ngắt (Interrupt) • Khái niệm, • Phân loại và • Case studies P&I Ch3: Methodes 6 • Là sự dừng thực hiện CTC để thực hiện ctc, thường là do TBNV yêu cầu thông qua port. • Khi CPU đang thực hiện CTC, đến dòng lệnh thứ n, ngẫu nhiên, ngoại vi thứ i xin phục vụ bằng cách phát ra tín hiệu IRQ(i) (Interrupt Request) đến CPU. Nói chung, CPU sẽ ngừng xử lý CTC và cất ngữ cảnh (flags và địa chỉ của lệnh tiếp theo) vào Stack Mem, rồi tìm địa chỉ của ctc phục vụ ngắt tương ứng (Interrupt Service Routine - ISR) để thực hiện. • Sau khi thực hiện xong ISR, gặp lệnh iret (reti...), CPU khôi phục lại ngữ cảnh (từ Stack Mem) của CTC và tiếp tục thực hiện. 3.2. Phương pháp ngắt (Interrupt): 3.2.1. Khái niệm H×nh 3.2. K/n ng¾t 4P&I Ch3: Methodes 7 • Đặc điểm: – Là phương pháp vào/ra kết hợp tín hiệu và phần mềm, để thực hiện đa nhiệm. – Đối tượng bị ngắt: CTC bị dừng xử lý để thực hiện ctc. – Là chế độ hoạt động riêng cho các Vi xử lý/ máy tính ON-LINE, – Nguồn ngắt: chủ yếu từ ngoại vi thông qua IO ports, CPU (exceptions, internal), – Xảy ra ngẫu nhiên, – Nhiều IOs • => Tranh chấp => Phải giải quyết ưu tiên ngắt. 3.2. Phương pháp ngắt (Interrupt): 3.2.1. Khái niệm: P&I Ch3: Methodes 8 • Ưu tiên ngắt - Interrupt Priority: - T/bị ưu tiên cao có thể dừng ISR của t/bị ưu tiên thấp - Hệ lớn, nhiều IOs thường dùng PIC (Intel PIC8259A) - Chỉ số ưu tiên do nhà sx qui định cho các t/bị ngoại vi, cố định, mức 0 là cao nhất. Theo hình 3.2: Level (j) > Level(i), i>j. • Ưu tiên phân định do các tín hiệu ngắt trong CPU (Intel 8085: INTR, 5.5, 6.5, 7.5 và TRAP), • Z80 CPU & others: ưu tiên theo kiểu Daisy Chain 3.2. Interrupt: 3.2.1. Khái niệm 5P&I Ch3: Methodes 9 a. Software Interrupt: • Là việc gọi 1 ctc (Subroutine) được xây dựng riêng mà ctc này còn có thể được gọi bởi thiết bị ngoại vi. • Các lệnh gọi như INT n; (Intel x86) hay SWI n; (Moto). • Tuy nhiên, việc thực hiện lệnh ngắt mềm giống như gọi thủ tục, và đôi khi được hiểu là TRAP, • Ngắt mềm không phải là ngắt 3.2. Interrupt: 3.2.2. Phân loại: (Hardware, software, internal, exception, NMI...) P&I Ch3: Methodes 10 • Do Ports phát tín hiệu NMI/ IRQ đến CPU. • Chia thành 2 loại: Maskable & Non Maskable Maskable Interrupt: là các ngắt thông thường, có thể cấm (disable) bởi lệnh CLI hay cho phép (enable) bởi lệnh STI (Intel vs Moto!). Các ngắt sẽ bị cấm (tại CPU) - IF disabled: sau khi CPU reset, trước đó đã có IRQ khác, sau khi th/h lệnh CLI. Non Maskable Interrupt, NMI là ngắt có mức ưu tiên cao nhất, thường cho các việc: mất điện, sai số liệu (DRAM parity)... PC hiện nay, thường không dùng NMI. 3.2. Interrupt: 3.2.2. Phân loại: b. Hardware: 6P&I Ch3: Methodes 11 Trong một số CPU, để bẫy/ để xử lý các sự kiện trong khi thực hiện, như Intel x86: - Divide by zero: tương ứng thực hiện lệnh, Int 0, - Trap - Single Step: thực hiện từng lệnh, debugger, Int 1, dùng cùng với Trap Flag (Trace). - Break Point: tạo điểm dừng, debugger, Int 3, - Overflow: (tràn số nguyên), Int 4 - ... 3.2. Interrupt: 3.2.2. Phân loại: c. Internal: P&I Ch3: Methodes 12 Là vấn đề hay điều kiện để CPU dừng công việc đang t/h, tìm địa chỉ và thực hiện 1 ctc, được thiết kế để xử lý sự kiện này. - Exception giống Interrupt, thực hiện lệnh riêng. - Trong PC, Exp khác Intr qua 2 điểm: - Liên quan tới việc thực hiện chương trình, - Có ưu tiên cao để dừng ch/tr (Apple Macintosh Computers): các Error, thay đổi điều kiện, kể cả ngắt, được CPU phát hiện trong khi chương trình đang hoạt động. 3.2. Interrupt: 3.2.2. Phân loại: c. Exceptions: 7P&I Ch3: Methodes 13 a. Intel 8x51 Micro Controllers: Họ Intel 8x51 có 6 nguồn ngắt: 02 Ext. Interrupts: Int0 và Int1, 03 Timer Interrupts: Timer 0, 1, 2 và 01 Serial port Interrupt (phát/thu char). ứng với các ngắt này, có các địa chỉ đầu cho ISR tương ứng tại trang zero @ Prog. Memory: 0003, 000Bh, 0013h, 001Bh, 0023h và 002Bh. Tại các địa chỉ này thường đặt lệnh LJMP nnnn và được đặt lệnh RETI nếu không có ISR. 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: P&I Ch3: Methodes 14 • b. Z80 system: • Z80-CPU, 3 modes ngắt: Các lệnh ReStart (như Intel 8085), NMI và Daisy Chain. Kiểu Daisy Chain: • Ghép nối với các Z80-Ports: Z80-PIO, Z80-SIO, Z80-CTC... • IRQs từ các ports là Open Drain, • Khi CPU: M1 & IO Request => INTA đến port1, • Nếu Port1 Resq, sẽ phát mã ‘Addr’ lên data bus, nếu không • Chuyển INTA đến Port 2... • Ưu tiên cố định/ jumper. 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: 8P&I Ch3: Methodes 15 c. x86 & PC interrupt : Real & Protected modes REAL MODE: Bảng vector ngắt IVT - Interrupt Vector Table: 1st kilo byte (RAM) bảng vector ngắt 1 KB = 256 elements of 4 bytes Chứa địa chỉ đầu của ISR tương ứng CS:IP. Khi khởi tạo, BIOS nạp vào IVT đcđ của các ISR ứng với IO. Đổi vector ngắt: đổi nội dung các vector này Các ngắt cứng, NMI và Internal đều tương ứng với 1 lệnh ngắt mềm có cùng vector type, tức có vector trong bảng IVT. 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: P&I Ch3: Methodes 16 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & PC IVT 9P&I Ch3: Methodes 17 SOFTWARE INTERRUPT: lệnh Int n, n=0..FFh, n - vector type Mô tả lệnh: Trước khi thực hiện lệnh, phải có chtr khởi tạo ngắt (Intr house- keeping): định vị ISR và đổi vector ngắt, Khi gặp lệnh Int n, CPU sẽ cất 6 byte Flag Reg, CS và IP vào Stack mem, (n x 4) là địa chỉ IVT, đọc 4 byte nạp vào IP và CS tương ứng => ISR bắt đầu được thực hiện. Khi gặp lệnh IRET, CPU khôi phục lại từ Stack Mem IP, CS và Flag Reg (LIFO!). 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & PC, int n instruction P&I Ch3: Methodes 18 Hardware Interrupt, IRQ: IRQ trong PC: dïng 2 PICs - Priority Interrupt Controller PIC 8259A Master PIC (địa chỉ: 20h, 21h, IO Space), IRQ0..IRQ7 => Int 8..Int 0Fh Slave PIC (địa chỉ: 0a0h, 0a1h) = IRQ8..IRQ15 => => Int 70h..Int 77h 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Hardware Int 10 P&I Ch3: Methodes 19 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Hardware Int PCI bus dùng chung 1 IRQ P&I Ch3: Methodes 20 Quản lý 8 Channel (8 I/O ports) Ưu tiên cố định, vòng, vòng định trước, Nối tầng với Slave PIC(s), mở rộng thêm IOs Nhiều chế độ hoạt động: ICWs: để định các chế độ (itnit) như: 8/16 bit, IRQ là xung hay sườn, kiểu ưu tiên Operation CWs: lưu các trạng thái trong quá trình hoạt động, ghi ra các từ điều khiển hoạt động Dùng với nhiều hệ VXL của Intel và PC ... Tham khảo VXL của MTV 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Hardware Int Priority Interrupt Controller Intel 8259A 11 P&I Ch3: Methodes 21 Các IRQ được mô tả theo mức ưu tiên giảm dần: • NMI: Báo lỗi DRAM parity error và IO check Error, PC (now) thường không áp dụng • IRQ0: System Timer, HĐH và các ứng dụng căn cứ nhịp thời gian này để thực hiện các tác vụ chu kỳ 55ms, được tạo từ: 14.31818 MHz/3 = 4.77MHz 4.77 MHz/4 = 1.19 MHz, qua PIT8254, f = 1.19MHz/65536 = 18.2Hz  T=55ms (Channel 0 của PIT8254, divisor=65536) • IRQ1: Key board Port Interrupt: khi có người dùng bấm phím. Sau khi đã kiểm tra make & break codes, nếu OK, uC 8042 sẽ convert KB scan code => sys scan code và phát IRQ1 P&I Ch3: Methodes 22 – IRQ2: Nối sang Slave PIC, mở rộng các thiết bị ngoại vi • IRQ8: Real time Clock – RTC, (Motorola MC146818 hoặc Dallas 12C887) được lập trình đúng hết Thế kỷ 21 (Option DS1307 – I2C) • IRQ9: Thay cho IRQ2 trước đây, thường là ngắt màn hình – unused, reserved • IRQ10: Reserved (available) • IRQ11: Reserved • IRQ12: PS/2 mouse mỗi khi chuột được bấm, di, scrolling sẽ gửi về CS code và goi IRQ12 12 P&I Ch3: Methodes 23 • IRQ13: Math Processor Errors: báo thực hiện xong phép tính, báo lỗi phép toán: chia zero, căn bậc chẵn của số âm, arcsin >1, loga của số âm, số 0... • IRQ14: IDE ghép qua ISA bus = báo ngắt mỗi khi HD Controller thực hiện xong 1 lệnh do CS yêu cầu (có kết quả tốt hay lỗi) • IRQ15: Reserved – Đ/v Industrial PC Watch Dog Timer – WDT, là mạch chống treo. P&I Ch3: Methodes 24 Watch Dog Timer - iPC • Là cơ chế dùng để chống treo cho VXL • Dùng 01 counter, và mạch Oscillator độc lập với CPU. • Trong quá trình hoạt động, theo 1 chu kỳ, do IRQ15 gọi ISR15 nạp giá trị preload cho counter để sao cho nội dung bộ đếm không về đến zero. Nếu CPU bị treo (halted), bộ đếm sẽ đếm lùi đần đến zero, phát ra xung BORROW OUT, xung này sẽ reset CPU – cold start. • Tùy thuộc vào hằng số thời gian của đối tượng, tùy từng hệ thống, bộ đếm WDT có thể được nạp giá trị đếm, nạp số chia tần để các khoảng thời gian từ 200us, 2ms, 20ms, 200ms, 2s đến 20s 13 P&I Ch3: Methodes 25 Fig. 3.5b Watch dog Timer principle P&I Ch3: Methodes 26 • IRQ3: Cổng truyền tin RS232 số 2 (Comm2), báo ngắt khi: thu/phát xong 1 byte, lỗi khi thu, có tín hiệu báo về từ thiết bị ngoài • IRQ4: như IRQ3 nhưng cho Comm1 • IRQ5: Cổng máy in số 2 – LPT2, báo ngắt mỗi khi có sườn xuống của xung ACK (từ máy in hoặc từ bên ngoài) – Reserved 14 P&I Ch3: Methodes 27 • IRQ6: FDC Interrupt – Floppy Disk Contronller báo thực hiện xong 1 lệnh do CS yêu cầu (có kết quả normal or error), như khởi động xong motor, tìm thấy track, tìm thấy sector, ghi/đọc/verify xong 1 sector, format 1 track... • IRQ7: Như 5, LPT1 • Chú ý: các thiết bị ghép qua PCI bus dùng chung 1 IRQ => CRTC, HDC, USB controller, Sound Controller... không dùng ngắt riêng – thường dùng chung IRQ11 P&I Ch3: Methodes 28 HARDWARE INTERRUPT, IRQ: Hoạt động Hardware Intr trong PC (xem PIC 8259A) Interrupt Housekeeping - chuẩn bị: ISR, ví dụ files.sys[com], gmouse.com - cổng comm1 Load ISR và xác định địa chỉ vật lý, Thay vector ngắt, cần lưu vector cũ? Enabling IRQi @ PIC’s, Mask Reg (OCW1): b(i) = 0, Enabling cờ IF trong CPU, lệnh STI, Set Interrupt Enable Flag, cho phép ngắt. 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Hardware Int 15 P&I Ch3: Methodes 29 P&I Ch3: Methodes 30 Hoạt động:  Khi trao đổi số liệu: Ngoại vi với IO port  IO port phát tín hiệu IRQ(i) tới PIC 8259A,  Nếu được, PIC phát tín hiệu INT => CPU. CPU thực hiện nốt lệnh hiện tại  CPU cất ngữ cảnh của main prog. vào stack mem  T/h #1 INTA bus cycle => Prioritizing, thiết lập ưu tiên  T/h #2 INTA bus cycle => đọc Vector type của IO port, VectorType = i+8; nếu i =0..7  int8.. int 0Fh = i+ 68h nếu i = 8..15  int 70h..int 77h 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Hardware Int 16 P&I Ch3: Methodes 31  CPU lấy (VectorType x 4) => IVT, đọc ISR đcđ tương ứng, nạp vào IP&CS, IRS bắt đầu được thực hiện.  Lưu ý khi xây dựng ISR: (nếu dùng ASM) - Realtime Prog. Languages: MASM, C... - Enabling Interrupt for Higher priority Levels, - Cất những thanh ghi-ISR dùngvào STACK Mem, - T/h nội dung ISR, - Khôi phục Reg từ STACK Mem, LIFO, - Depriorotizing: OCW2: Ví dụ: mov al, 20h out 20h, al ; Non Specific EOI iret ; Return fron Intr. 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Hardware Int P&I Ch3: Methodes 32 d. Xây dựng PC ISR: - NN cao Pascal/C: Pointers (for Old Vector) và procedure có chỉ dẫn Interrupt. Chú ý cần có thêm các lệnh STI và CLI hoặc inline mã máy FAh và FBh (En/Dis). - MASM và OS: thay vector ngắt trực tiếp, lệnh mov các con trỏ vào IVT; int 21h subfunctions: 25h và 35h của DOS. - Case Study: Xây dựng ứng dụng dùng ngắt cứng để ghép nối ngoại vi: IRQ1 (Any key), IRQ4: CommPort, IRQ5 (Option) hoặc IRQ7 (LPT1, Falling Edge of -ACK), cảnh báo virus ... - Thường trú ngắt thời gian Int 1Ch thuộc Int 8 ISR, Timer 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Hardware Int 17 P&I Ch3: Methodes 33 80x86 Interrupt in Protected Mode: • Int. Descriptor Table (IDT) có thể định vị bất kỳ vùng nhớ nào • Vị trí và kích thước trong bảng IDTR: 32bit addr và 16 bit limit • Gate, not vector. • 256 gate descriptor: trap/ interrupt/ task - ISR's Addr & Attribute • Int/ trap cho phép chuyển đến ISR trong current task. 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Hardware Int P&I Ch3: Methodes 34 CLI STI LIDT EA ; Load IDT từ Effct Addr SIDT EA INT n IRET INT O ; ( INT 4) HLT ; Wait for Ext IRQ or Reset WAIT ; Wait for -Busy => inactive 3.2. Interrupt: 3.2.3. Case study: x86 & pc, Int. instruction 18 P&I Ch3: Methodes 35 3.3. DIRECT MEMORY ACCESS - DMA 3.3.1. KHÁI NIỆM: •Controlled by DMAC, bus master (phát địa chỉ, th điều khiển bus) • In/Out dùng hardware [burst mode] => nhanh, • 2-5 MBps ISA bus (max 33 MBps, MCA/EISA bus) • Chuyển block/ Single byte (FDC) • IO port Mem, MemMem (ít) • Specified Block/ IO Requirement • Stealing cycle (DRAM controller Intel 8208) P&I Ch3: Methodes 36 3.3. direct memory access – DMA 3.3.1. Khái niệm DMA: 19 P&I Ch3: Methodes 37 3.3. Direct Memory Access – DMA 3.3.2. dmac 8237a, Intel : MTV 4 Channel of 8/16 bit IOR-MEMW & MEMR-IOW DMA bus cycles Mem to Mem Single byte/ block transfer (64KB/Kw max) Ưu tiên cố định/ vòng Specified block (kết thúc bởi t/h TC) / IO Requirement (EoP) Nối tầng để mở rộng số kênh DMA ... P&I Ch3: Methodes 38 3.3. direct memory access - dma 3.3.3. PC’s dma: • DMAC#1: 8 bit Channels, 64KB max, 0h-0fh addr • Ch0 - DRAM Refresh, Spare • Ch1 - SDLC, LPT’s EPP/ECP/IEEE1284 mode Alt., Spare • Ch2 - FDC, single byte mode • Ch3 - LPT’s EPP/ECP/IEEE1284 mode, Ir port (IEEE 802.11b), Spare • DMAC #2: 16 bit Channels, 64KW max, 0C0-0Cfh ®Þa chØ • Ch4 - Cascade for DMAC 1 • Ch5 - HDC ISA bus, spare • Ch6 - Spare, • Ch7 - Spare. • Page Registers: 080h..08Fh: Gi÷ ®Þa chØ cao v× DMAC chØ ph¸t 16 low addr bit • SysBus in DMA mode, AEN = 1 (Addr Enable) 20 P&I Ch3: Methodes 39 3.3. direct memory access - dma 3.3.3. PC’s DMA: Case study – Sơ đồ khối: IOR P&I Ch3: Methodes 40 • DMA Housekeeping khởi tạo trước khi hoạt động – DMAC as Passive Device: – Addr lines (DMAC & Page Reg) input/ Hi-Z – Init: 8bit(Master:0..1F)/ 16bit (Slave:0C0..0DFh) • Channel (i): DRQi và -DACKi trên ISA bus. • Port (IO Addr), AEN = 1 (Address decode) • IOR-MEMW hay MEMR-IOW • Hi Addr of data memory => page reg t/ứng. Addr từ Ch0 (hex): 87, 83, 81, 82, 88, 89, 8A, IO space • Low Addr => BaseAddrRegi, (TechHelp 6.0) • Kích thước mảng: BaseCounteri • Single byte/ block • Specificed block/ IO Port Requirement • Burst mode: SRAM và counter- địa chỉ, DACKi 3.3. Direct Memory Access – DMA 3.3.3. PC’s dma: Case study: 21 P&I Ch3: Methodes 41  Bắt đầu t/h DMA, ngoại vi chuyển data => IO Port  IO Port phát tín hiệu DRQi tới DMAC. Nếu chấp nhận  DMAC phát HRQ tới CPU (CPU logic circuitry)  CPU dừng hoạt động @ state T3, Hi Z bus của CPU  CPU Trả lời t/h HLDA => DMAC & ‘goes to sleep’  Thực hiện DMA bus cycle: - DACKi = 0, as Chip Select - IOR = 0 ==> IO Port 'nhả' data lên bus - Addr Mem (DMAC & Page Reg) - MEMW = 0 => chuyển 1 byte/word  DMAC: Tăng CurrentAddrReg, giảm CurrentCounter. Nếu Current Counter=0 thì phát T/C (Terminate Count), nếu 0 => , next DMA bus cycle Mỗi chu kỳ bus, chuyển được 1 byte hoặc 1 từ 3.3. Direct Memory Access – DMA 3.3.3. PC’s dma: Case study:IOR-MEMW bus cycle P&I Ch3: Methodes 42 BÀI TẬP CHƯƠNG 3: • Xây dựng ứng dụng ngắt: bàn phím, LPT, Comm hoặc mạch ghép nối. • Xây dựng sơ đồ ghép nối và lập trình cho DMAC các kênh 8 và 16 bit cho máy tính PC để gửi số liệu ra hoặc nhận số liệu vào. – Channel, – Mode, – Block – BTCT: DMA 16bit!