13. Организация системы прерывания программ

Прерываниями называются события, требующие немедленной реакции со стороны процессора. Реакция состоит в том, что процессор прерывает обработку текущей программы (прерываемой программы) и переходит к выполнению некоторой другой программы (прерывающей программы), специально предназначенной для данного события. По завершении этой программы процессор возвращается к выполнению прерванной программы.

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:

· асинхронные или внешние (аппаратные)

· синхронные или внутренние

· программные (частный случай внутреннего прерывания)

В большинстве случаев прерывания допускаются после выполнения любой

текущей команды, время реакции на прерывание определяется, в основном,

длительностью выполнения одной команды. При работе вычислительной машины

с быстрыми технологическими процессами в реальном масштабе времени (т.е. в

контурах управления реальных физических процессов) это время может оказаться

3

недопустимо большим. Существуют задачи, при выполнении которых требуется

немедленная реакция на ошибку, чтобы не допустить выполнения ошибочно

сформированного кода команды. В этом случае в системе прерывания реализуется

возможность прерывания после любого такта выполнения команды программы.

Однако это требует запоминания, а потом восстановления гораздо большего

объема информации, чем в случае прерывания после окончания команды, поэтому

такая организация прерываний возможна только в вычислительных машинах со

сверхбыстродействующей оперативной памятью достаточного объема.

В случае, если во время обработки прерывания поступает запрос на

прерывание с более высоким уровнем приоритета, управление передается

обработчику прерывания более высокого приоритета, при этом работа

обработчика прерывания с более низким уровнем приоритета

приостанавливается. Возникает вложенность прерываний. Максимальное число

программ, которые могут приостанавливать друг друга называется глубиной

прерываний (рис. 24). Системы с большим значением глубины прерываний

обеспечивают более быструю реакцию на срочные запросы.

Если запрос окажется не обслуженным к моменту прихода нового запроса от

того же источника (т.е. того же приоритета), то возникает насыщение системы

прерываний. При этом часть запросов прерывания будет утрачена, что для

нормальной работы ВМ недопустимо, поэтому быстродействие ВМ,

характеристики системы прерывания и частоты возникающих запросов должны

быть строго согласованы, чтобы насыщение было невозможно.

Характеристиками системы прерывания являются:

· общее количество запросов прерывания – количество источников запросов

прерывания;

· тип представления прерывания – как правило, запрос прерывания

представлен логическим уровнем сигнала;

37

· приоритет прерывания – определяет очередь обработки каждого запроса

прерывания, чем выше приоритет, тем меньше задержка в исполнении

прерывающей программы для него;

· время реакции – временной интервал между появлением запроса

прерывания и началом выполнения прерывающей программы;

· задержка прерывания – определяется суммарным временем на запоминание

и восстановление программы;

· глубина, обычно совпадает с числом уровней приоритетов в системе

прерывания;

· насыщение системы прерывания;

· допустимые моменты прерывания программ.

Организация перехода к вызывающей программе

Процедура перехода к обработчику прерываний включает в себя:

· передачу текущего вектора состояния прерываемой программы на хранение

в стек;

· выявление запроса прерывания с максимальным приоритетом;

· загрузку в регистры процессора вектора прерывания (чаще всего –

начального адреса).

14.Микропроцессоры и микроконтроллеры

В то время, как процессор является программно-управляемым устройством

для сбора и обработки информации, контроллер предназначен для управления

электронными устройствами и содержит в своем составе некоторые

периферийные устройства. Приставка микро- сообщает о том, что указанное

устройство реализовано на базе одной микросхемы.

Микропроцессор реализуется в виде большой (БИС) или сверхбольшой

(СБИС) интегральной микросхемы и выполняет роль процессора в цифровых

системах различного назначения. Главной особенностью микропроцессора

является возможность программирования логики работы.

Микроконтроллер (MCU) – микросхема, предназначенная для управления

электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе

функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ.

По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных

микропроцессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно

снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе

микроконтроллеров.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально

законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным

образом микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально

и конструктивно законченное изделие, в состав которого входит микропроцессор

или микроконтроллер; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и

управление.

Основные преимущества микропроцессорных систем по сравнению с

цифровыми системами на «жесткой логике».

• Многофункциональность: большее количество функций может быть

реализовано на одной элементной базе.

• Гибкость: возможность исправления и модификации программы

микропроцессора для реализации различных режимов работы системы.

• Компактность: миниатюрные габариты микросхем и уменьшения их

количества по сравнению с реализацией на «жесткой логике» позволяют

уменьшить габариты устройств.

• Повышение помехоустойчивости: меньшее количество соединительных

проводников способствует повышению надежности устройств.

• Производительность: возможность применения больших рабочих частот и

более сложных алгоритмов обработки информации.

• Защита информации: возможность защитить программу микропроцессора от

считывания позволяет защитить авторские права разработчиков.

Проектирование микропроцессорных устройств, как правило, производится в

два этапа:

• схемотехническая реализация устройства;

• программирование микропроцессора или микроконтроллера.

По функциональному признаку выделяются два класса: микропроцессоры

общего назначения и специализированные микропроцессоры. Среди

специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение

получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций

управления различными объектами, и цифровые сигнальные процессоры (DSP –

Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур,

обеспечивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов,

представленных в цифровой форме (рис. 29).

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого

круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью

использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и

другие цифровые системы массового применения.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров (однокристальных

микро-ЭВМ) является размещение на одном кристалле с центральным

процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств.

Цифровые сигнальные процессоры (ЦСП, DSP) представляют класс

специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую

обработку входных аналоговых сигналов. Специфической особенностью

алгоритмов обработки аналоговых сигналов является необходимость

последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением

промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦПС

ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода.

Основные критерии выбора микроконтроллера представлены ниже в порядке

значимости.

• Пригодность для прикладной системы. Может ли она быть сделана на

однокристальном микроконтроллере или ее можно реализовать на основе

какой-либо специализированной микросхемы.

• Имеет ли микроконтроллер требуемое число контактов, портов ввода-вывода,

поскольку в случае их недостатка он не сможет выполнить работу, а в случае

избытка цена будет слишком высокой.

• Имеет ли микроконтроллер все требуемые периферийные устройства, такие

как аналого-цифровой, цифро-аналоговый преобразователи, интерфейсы связи

и т.д.

• Имеет ли микроконтроллер другие периферийные устройства, которые не

потребуются в системе э(то зачастую увеличивает стоимость

микроконтроллера).

• Обеспечивает ли ядро микроконтроллера необходимую производительность,

т. е. вычислительную мощность, позволяющую обрабатывать системные

запросы в течение всей жизни системы на выбранном прикладном языке.

• Выделено ли в бюджете проекта достаточно средств, чтобы позволить себе

использовать данный микроконтроллер. Для ответа на этот вопрос, обычно

требуются расценки поставщика. Если данный микроконтроллер не приемлем

для проекта, все остальные вопросы становятся несущественными, и

разработчик должен начать поиски другого микроконтроллера.

• Доступность:

- существует ли устройство в достаточных количествах;

- производится ли оно в настоящее время и какие перспективы его

производства;

- стоимость устройства;

- средства загрузки программ в микроконтроллер (программаторы), их

доступность и стоимость.

• Информационная поддержка:

- примеры применения (Application Notes);

- сообщения о разночтениях и несоответствиях устройств заявленной

документации (Errata);

- средства разработки и отладки (компиляторы, ассемблеры, симуляторы,

эмуляторы);

- информационная поддержка разработчика и поставщиков.

• Надежность фирмы производителя.

- компетентность, подтвержденная разработками;

- качество продукции;

- время работы в этой области. 15. Внутримашинный системный интерфейс Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая

эффективное взаимодействие систем или их частей.

Внутримашинный интерфейс – система связи и сопряжения узлов и блоков

вычислительной машины между собой – представляет собой совокупность линий

связи (проводов), схем сопряжения с компонентами вычислительной машины,

протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса.

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок вычислительной машины связан с

прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс

применяется, как правило, только в простейших бытовых устройствах.

2. Односвязный интерфейс: все блоки вычислительной машины связаны

друг с другом через общую или системную шину.

Шина – совокупность линий связи, по которым информация передается

одновременно.

Системной шиной (общей магистралью) называется шина между

процессором, подсистемой памяти и устройствами ввода-вывода. Важнейшими

функциональными характеристиками системной шины являются:

• количество обслуживаемых устройств;

• пропускная способность: максимально возможная скорость передачи

информации;

• разрядность – количество проводников (металлизированных дорожек на

печатной плате), используемых для передачи данных (есть шины 8-, 16-, 32- и

64-разрядные);

• тактовая частота;

• протокол обмена данными – стандарт, определяющий поведение

функциональных блоков при передаче данных; протокол задаётся набором

правил взаимодействия функциональных блоков, расположенных на одном

уровне и описывает синтаксис сообщения, имена элементов данных, операции

управления и состояния.

При взаимодействии модуля процессора с модулями памяти осуществляются

операции считывания или записи информации, а при взаимодействии с

периферийными устройствами – операции ввода-вывода информации. При этом

кроме собственно данных и адресов ячеек памяти или регистров периферийных

устройств по магистрали необходимо передавать и служебные управляющие

сигналы. Ввиду этого общую магистраль разделяют на три (в общем случае)

самостоятельные шины:

• шину адреса (ША);

• шину данных (ШД);

• шину управления (ШУ).

Технически проще использовать однонаправленные шины, но тогда их число

должно увеличиться, т.е. отдельные шины для операции «чтение» (ввод) и

«запись» (вывод). Это приводит к существенному увеличению числа контактов разъема модуля процессора и числа проводников общей шины. Поэтому

производится объединение однонаправленных шин в одну двунаправленную,

управляемую соответствующими сигналами – запись/чтение (READ/WRITE) для

модулей памяти или ввод/вывод (INPUT/OUTPUT) для модулей периферийных

устройств.

Возможны 5 вариантов структур системной шины только с двунаправленными

шинами.

16. Внешние интерфейсы Различают внутренние и внешние интерфейсы вычислительной машины.

Внутренний интерфейс – средства и правила взаимодействия между

внутренними компонентами системы.

Внешний интерфейс – средства и правила взаимодействия вычислительной

системы с внешними объектами (пользователями, вычислительной сетью и т.п.).

Интерфейс пользователя, пользовательский интерфейс, человеко-

машинный интерфейс (user interface, man-machine interface) – комплекс

программных средств, обеспечивающий взаимодействие пользователей с

системой;

Графический интерфейс пользователя, графический пользовательский

интерфейс (GUI - Graphical User Interface) – тип интерфейса пользователя,

организованный так, что для облегчения его работы сведения о программах,

файлах, режимах работы (опциях) и т.п. отображаются на экране монитора в виде

графических символов (пиктограмм) а также связанных с ними всплывающих

меню. Выбор и активизация необходимого варианта обычно осуществляется

манипулятором мышь. Данные при этом отображаются в прямоугольных зонах

экрана (окнах), которыми оператор может различным образом манипулировать.

Интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы,

можно условно разделить на последовательные и параллельные. Через

последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом,

а через параллельный – одновременно группами битов. Количество битов,

передаваемых за один цикл, определяется разрядностью интерфейса.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты –

специальные разъёмы на задней панели компьютера.

Параллельные интерфейсы (LPT - порты) обычно имеют более сложное

устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую

производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных,

они служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы

информации на небольшие расстояния. Последовательные (COM – порты) служат

для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы

информации на большие расстояния. В последнее время широкое

распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к

которым можно подключать различные устройства.

Стандартный интерфейс [standard interface] – унифицированный интерфейс,

используемый для стандартного подключения внешних устройств к каналам

ввода-вывода. Стандарт интерфейса определяет

• механические характеристики интерфейса (разъемы и соединители);

• электрические характеристики сигналов (логические уровни);

• функциональные описания интерфейсных схем (протоколы передачи). 57

Большинство внешних интерфейсов построено по принципу ведущий –

ведомые (Master – Slave).

Ведущее устройство (Master) – главное устройство в сети, которое может

самостоятельно запрашивать данные у ведомых устройств.

Ведомое устройство (Slave) – устройство, которое не может самостоятельно

инициировать передачу своих данных, а передает или принимает их только по

запросу ведущего устройства сети.

Передатчик – устройство, передающее информацию в данный момент

времени.

Приемник – устройство, принимающее информацию в данный момент

времени.

Посылка – минимальный объем передаваемых данных, достаточный для

интерпретации устройством-приемником в системе связи.

Линия связи – совокупность технических устройств и физической среды,

обеспечивающая распространение сигналов от передатчика к приёмнику.

Большинство интерфейсов используют одно ведущее устройство и одно или

несколько ведомых устройств.

Различают дуплексный и полудуплексных режимы работы приемо-

передающих устройств. В режиме дуплекс устройства могут передавать и

принимать информацию одновременно. В режиме полудуплекс – или передавать,

или принимать информацию.

Скорость передачи информации – скорость передачи данных, выраженная в

количестве бит, символов или блоков, передаваемых за единицу времени. Обычно

единицей измерения скорости передачи является 1 бод = 1 бит/с.

Обмен данными между устройствами может осуществляться в синхронном и

асинхронном режимах.

Синхронный режим имеют строгую привязку всех операций по реализации

цикла обмена к фронтам или уровням синхроимпульсов. Основным

преимуществом синхронного режима является наличие простой логики

управляющих устройств блоков и обеспечение наивысшей пропускной

способности при обмене. Основным недостатком синхронного режима является

требование комплексной синхронизации взаимодействующих блоков,

дополнительное оборудование и программное обеспечение, а также примерно

одинаковое быстродействие всех устройств.

Асинхронный режим отличается отсутствием синхронизации операций по

реализации циклов обмена, т.е. передача тактовых импульсов по отдельной линии

связи отсутствует. Основным преимуществом асинхронного режима является

повышенная гибкость и возможность связывать в единую систему устройства,

имеющие различное быстродействие, что является важным при построении

открытых управляющих систем, например АСУТП. Основной недостаток

асинхронного режима – ограниченная пропускная способность при обмене

данными. Возникает также потребность в управляющих сигналах, определяющих

моменты считывания информации, в частности сигнала стробирования. Сигнал

стробирования (строб) – специальный сигнал, поступающий с некоторой фиксированной задержкой относительно момента выставления данных на линиях

общей магистрали, и указывающий приемнику момент считывания информации.

При передаче информации существует проблема определения момента ее

считывания, что является следствием некоторой электрической асимметрии

выходных каскадов передатчика и приемника, вызванной технологическими

причинами. Это приводит к разбросу времени установления сигналов на

различных линиях общей магистрали. При синхронном обмене это решается

введением задержки считывания данных относительно синхроимпульса. При

асинхронном обмене момент считывания информации указывается сигналом

стробирования.

По организации обратной связи в обменных процессах выделяют:

• замкнутые магистрали;

• разомкнутые магистрали.

Замкнутые магистрали – магистрали, в которых между передатчиком и

приемником существует обратная связь. Приемник, после считывания

информации с линий общей магистрали обязан известить передатчик о

завершении цикла обмена сигналом квитирования. Для передачи квитанции

используют линии шины данных, или специально выделенные линии. При

использовании корректирующих кодов квитанция может сообщить передатчику о

возникшей ошибке. Передатчик не начинает новый цикл обмена до получения

квитанции. При отсутствии квитанции в течение некоторого времени (тайм-аута)

возникает прерывание, обработка которого позволяет предотвратить ошибки в

системе, возникающие за счет сбоев в аппаратуре и внешних помех. Основным

преимуществом замкнутых магистралей является повышенная надежность обмена

по общей магистрали. Основными недостатками замкнутых магистралей является

необходимость дополнительного оборудования для формирования и передачи

квитанции и увеличение времени цикла обмена из-за тайм-аута ожидания

квитанции.

Разомкнутые магистрали – передатчик, выставив на линии общей

магистрали подлежащую передаче информацию, больше «не заботится» о том,

считана она приемником или нет. Предполагается, что информация обязательно

считана приемником и возможна инициализация нового цикла обмена.

Преимуществами разомкнутых магистралей является простота аппаратного и

программного обеспечения общей магистрали и меньшая стоимость и

повышенная производительность при обмене. Основным недостатком

разомкнутых магистралей является повышенная вероятность ошибок в системе,

возникающих за счет сбоев в аппаратуре и внешних помех. Это существенно

ограничивает область применений разомкнутых магистралей.