14.Порты ввода-вывода мк-51. Структура прерываний мк-51. Режимы работ последовательного интерфейса мк-51. Порты ввода/вывода мк-51

Имеется 4 восьмиразрядных квазидвунаправленных порта ввода/вывода Р0, Р1, Р2, Р3. (в методичке: Порт 0 является двунаправленным, а порты 1, 2 и З — квазидвунаправленными)

Они обеспечивают обмен данными с внешними устройствами, каждый из портов может работать как порт общего назначения или выполнять специализированные альтернативные функции. Каждый порт имеет 8ми разрядный регистр, называемый фиксатором-защелкой.

Альтернативные функции портов.

Порт Р0:

1. Выводится младший байт адреса при работе с внешней памятью.

2. Реализуется обмен байтом данных при обращении к внеш памяти данных. Вывод младшего байта адреса и обмен байтом данных мультиплицируется во времени, млад байт адреса должен сохр во внеш регистре.

3. При программировании внутреннего ППЗУ (перепрограммируемые ПЗУ) вводятся данные(код прогр-мы).

4. При чтении содержимого внутреннего ПЗУ выводятся данные.

Порт Р1: Через Р1 задается младший байт адреса при программировании и чтении внутреннего ПЗУ.

Порт Р2:

1. Выводится старший байт адреса при обращении к внешней памяти.

2. Задается старший байт адреса при программировании и чтении внутреннего ПЗУ.

Порт Р3: Каждая линия порта Р3 имеет свою альтернативную функцию. (Обозначение: Р3.0 – нулевой разряд порта Р3)

• Р3.0 – RxD – вход последовательного порта, предназначен для ввода последовательного кода в приемник последовательного порта.

• P3/1 – TxD – выход последовательного порта, используется для вывода данных из передачи для последовательного порта. (Р3.0 и Р3.1 – сдвиговые регистры)

• Р3.2 - /INT0 (инверсия INT0) – нулевой вход внешнего запроса прерывания.

• Р3.3 - /INT1 – первый вход внешнего запроса на прерывание.

• Р3.4 - Т0 – счетный вход нулевого таймера счетчика (Т/С01)

• Р3.5 – Т1 – счетный вход первого таймера счетчика (Т/С1). (Р3.4 и Р3.5 – счетные регистры, построены на Т-триггерах)

• Р3.6 - /WR – строб чтения во внешнюю память данных, по этому сигналу байт данных записывается во внешнюю микросхему ОЗУ.

• Р3.7 - /RD – строб чтения из внешней памяти данных, по этому сигналу внешняя микросхема ОЗУ выставляет содержимое запрашиваемой ячейки на ШД.

Альтернативная функция любой из линий порта Р3 может быть реализована только в случае, если соответствующий разряд фиксатора-защелки записана 1.

Фиксатор-защелка.

Выполняет две задачи: выдавать и принимать данные извне.

Каждая линия может быть использована как для выдачи так и для ввода данных. Если необходимо данные вызвать на внешний вывод, то они записываются в защелку и поступают на выход, никаких сигналов не требуется. Если необходимо считать состояние внешнего вывода, то сигнал идет на внутреннюю шину данных через регистр &.

Фиксатор защелка выполняется на D-триггере, запись в который тактируется сигналом «запись в защелку». Этот сигнал формируется при записи данных в порт. Выход триггера через элемент & (B1) подключается к внутренней шине МК подачей сигнала «чтение защелки». Это обеспечивает возможность программного чтения содержимого триггера. Сигнал с внешнего вывода порта может быть считан через элемент & (B2) подачей внутреннего сигнала чтение внешнего вывода.

Часть команд работает в режиме чтение, модификация, запись. При обращении к порту эти команды активизируют сигнал чтения защелки, т.е. считывают содержимое триггеров, а не состояние внешних выводов. К таким командам относятся:

• Логические: ANL, ORL, XRL

• Inc, Dec, DJNZ

• Все команды работающие с отдельными битами, которые реализуют режим чтение, модификация, запись неявно (эти команды считывают весь байт и записывают измененный байт обратно)

При обращении к внешней памяти содержимое фиксаторов защелок порта Р2 не меняется, а в защелке порта Р0 записываются 1.

Для того чтобы порт работал на ввод данных в фиксаторы-защелки нужно записывать единицы, в противном случае возможно искажение считывания данных.

Каждая линия порта может работать на ввод или вывод данных независимо от других.

Порт Р0 не имеет внутренних подтягивающих транзисторов, поэтому при его использовании в качестве выходного порта общего назначения необходимо подключить внешние подтягивающие резисторы (5 – 10 кОм). Если Р0 используется только для обращения к памяти, то эти резисторы не нужны.

После сброса микроконтроллера во все фиксаторы-защелки портов записаны единицы, т.е. они готовы к вводу данных.

Структура прерываний МК-51

Система прерываний позволяет автоматически реагировать на внешние и внутренние события. В МК-51 существует 6 таких событий, т.е. 6 источников прерываний:

1, 2) внешние прерывания по входам /INT0, /INT1

3, 4) прерывания от таймера счетчика Т/С0 и Т/С1

5) окончание передачи данных последовательным портом

6) окончание приема данных последовательным портом

Существует 5 векторов и 6 источников:

Первые четыре источника имеют свои уникальные вектора, а 5й и 6й имеют один общий вектор.

Под вектором прерываний понимается адрес, по которому содержится первая команда процедуры обработки прерывания. В счетчик команд в случае прерывания загружается адрес вектора прерывания. Адреса векторов аппаратно заданы.

Управление системой прерываний осуществляется с помощью двух регистров:

Регистр разрешения прерывания IE (Interact Enable)

EX0, EX1 – биты разрешения внешних прерываний по входам /INT0 и /INT1

ЕТ0, ЕТ1 – биты разрешения прерывания от 0го Т/С и 1го Т/С

ES – бит разрешения прерывания от последовательного порта

EA – бит общего разрешения прерываний если EA = 0, то все прерывания запрещены/

Регистр приоритетов прерываний IP

Существует два уровня приоритетов.

Прерывание имеет высокий приоритет, если соответствующий бит регистра IP равен 1, иначе прерывание имеет низкий приоритет.

Процедура обработки прерываний с низким приоритетом может быть прервана процедурой обработки прерывания с высоким приоритетом.

Процедура обработки прерывания не может быть прервана обработкой процедуры с равным приоритетом.

Запрос внешнего прерывания может быть вызван нулевым уровнем сигнала на внешнем входе, либо спадом сигнала. При поступлении запроса от /INT0 устанавливается флаг запроса прерывания IE0. По входу /INT1 – IE1. Эти прерывания могут быть вызваны программно установкой флага запроса IE0 или IE1. В случае если прерывания произошло по спаду соответствующий флаг запроса сбрасывается аппаратно при вызове процедуры обработки. При прерывании по уровню флаг запроса будет сброшен только при восстановлении 1 на внешнем входе.

Запрос на прерывание от Т/С формируется установкой флага переполнения. TF0 соответствует T/C0. TF1 соответствует Т/С1. Сбрасываются эти флаги аппаратно при вызове процедуры обработки прерывания. (Флаги IE0, IE1, TF0, TF1 могут устанавливаться и сбрасываться как программно, так и аппаратно)

Флаг TI устанавливается по окончании передачи данных последовательным портом, флаг RI по окончании приема. Флаги вызывают одну и туже процедуру обработки прерываний, следовательно они аппаратно не сбрасываются и должны быть сброшены программно в процедуре обработки.

Флаги запросов прерываний устанавливаются вне зависимости от того разрешено данное прерывание или нет.

Внутри одного уровня приоритета существует подуровень, определяемый порядком опроса источников. Если одновременно произошло несколько запросов одного уровня, то в начале будет вызвана процедура обработки источника опрашиваемого первым.

Последовательность опроса:

IE0

TF0

IE1 опрос приоритет

TF1

RI + TI

Вызов процедуры обработки разрешенного прерывания может быть временно заблокирован в случае:

1. Выполняется обработка прерывания с более высоким или равным приоритетом.

2. Текущий машинный цикл не является последним циклом выполнения команд.

3. Текущая выполняемая команда является командой RETI или обращается к регистрам IE или IP.

После окончания выполнения этих команд будет выполнена еще хотя бы одна команда.

Часто встречается понятие вектора сброса, под ним понимается адрес, загружаемый в счетчик команд после сброса процессора (как правило это 0).

Режимы работ последовательного интерфейса МК-51.

Предназначены для организации ввода/вывода данных в последовательном коде и системы прерывания.

Состав блока:

• Регистр управления SCON

• Буфер приемника SBUF

• Буфер передатчика SBUF

• Сдвиговые регистры приемника и передатчика

• Регистры приоритетов и разрешения прерываний

Регистр SCON:

SM0, SM1 – определяет один из четырех возможных режимов работы последовательного порта

SM2 – бит разрешения многопроцессорной работы Бит управления режимом UART. Устанавливается программно для запрета приема сообщения, в котором девятый бит имеет значение 0

REN – бит разрешения приема данных

TB8, RB8 – в режимах 2 и 3 9й передаваемый и 9й принимаемый биты данных

TI, RI – флаг переполнения по окончании передачи/приема

Буфер передатчика предназначен для приема с внутренней шины МК информации в параллельном коде и ее выдаче в последовательном с помощью сдвигового регистра через вывод TxD.

Буфер приемника предназначен для приема данных в последовательном коде со входа RxD, хранения и выдачи в параллельном коде на внутреннюю шину.

Наличие буферного регистра приемника позволяет совмещать операцию чтения ранее принятого байта с приемом очередного байта. Прием и передача данных начинается с младшего бита, передача данных инициируется командой записи в регистр SBUF. Прием и передача могут осуществляться параллельно. Очередной байт будет приниматься даже если полученные перед этим данные не были считаны из буфера приемника. По окончании приема старый байт будет потерян.

Режимы работы:

Режим 0: В этом режиме последовательный порт работает как 8ми разрядный сдвиговый регистр. Данные передаются и принимаются через RxD, через TxD передаются синхроимпульсы. Скорость передачи/приема одна и та же (не меняется).

f_T/R = f_BQ / 12 (бод) – частота следования машинных циклов (f_BQ – частота кварцевого резонатора).

Временные диаграммы:

Передача данных:

TxD принимает синхроимпульсы.

Когда данные не передаются RxD = TxD = 1.

Синхронизация осуществляется по спаду сигнала.

По умолчанию RxD и TxD принимают единичное состояние, передача данных через RxD стробируется спадом сигнала на выходе TxD. RxD и TxD работают на выдачу информации.

Прием данных:

В режиме приема данных TxD и RxD работают на ввод, т.е. один принимает синхроимпульсы, другой данные. По окончании приема данных устанавливается флаг RI.

В этом режиме прием выполняется при: RI = 0; REN = 1 – бит разрешения приема.

Этот режим является синхронным, остальные являются асинхронными.

Режим1: В этом режиме последовательный порт работает как 8ми разрядный универсальный асинхронный приемо-передатчик (УАПП или UART). (СОМ порты у персональных ЭВМ работают в этом режиме)

Через RxD принимаются, а через TxD передаются 10ти разрядные посылки, включающие нулевой старт-бит, 8 бит данных и единичный стоп-бит.

При приеме стоп-бит заносится в разряд RB8 регистра SCON.

Скорость обмена задается частотой переполнения T/C1 – f_OV1.

На скорость передачи данных также влияет состояние бита SMOD регистра PCON.

f_T/R = f_OV1 / (16*2^SMOD)

В режиме можно изменять скорость и частоту переполнения Т/С. Скорость приема/передачи — величина переменная и зад таймером.

Формирование сигналов синхронизации передачи и управления:

Временные диаграммы:

Передача данных:

Прием данных начинается при обнаружении спада сигнала на входе RxD, для этого RxD опрашивается аппаратно с частотой f_T/R. Если обнаружен спад сигнала, то происходит сброс счетчика-делителя на 16 в цепи сигнала синхронизации RxD (Д2).

В моменты когда содержимое Д2 равно 7, 8 или 9 производится считывание состояния RxD, результат выбирается по мажоритарному принципу. Считанные 8 бит данных и стоп-бит из сдвигового регистра записываются в буфер приемника SBUF и бит RB8 соответственно.

Загрузка SBUF, загрузка RB8 и установка RI происходит только в случае если к моменту последнего опроса выполнялось следующее: RI = 0 и SM = 0 или RI = 0 и стоп-бит = 1. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, то принятые данные теряются, а флаг RI не устанавливается.

Режим 2 и 3: В этих режимах приемо-передатчик работает как 9ти разрядный УАПП. В режиме 2 скорость обмена постоянна, в режиме 3 может меняется задается таймером.

Здесь посылка состоит из 11 бит, из них один нулевой старт-бит и единичный стоп-бит. Значение 9го бита данных берется из разряда TB8 регистра SCON. Принятый 9й бит записывается в RB8.

В режиме 2 скорость обмена данными:

f_T/R = f_BQ / 64 * 2^SMOD f_BQ – частота тактового генератора

В режиме 3: f_T/R = f_OV1 / (32*2^SMOD) f_OV1 – частота переполнения 1го таймера-счетчика

По приему и передачи режимы 2 и 3 аналогичны первому.

2й и 3й режимы отличаются между собой только скоростью обмена. Передача данных происходит аналогично 1му режиму, при приеме данных запись в SBUF, RB8 и установка флага RI производится при условии, что к моменту последнего опроса RI = 0 и SM = 0, либо RI = 0 и D8 = 0 (9й бит данных).

Обязательное условие: принятый стоп-бит равен 1.

Для использования Т/С1 в качестве задатчика скорости обмена необходимо запретить прерывания от Т/С1; установить Т/С1 в режим 0, 1 или 2; запустить Т/С1 на счет.

SM2 - бит разрешения многопроцессорной работы.

Режим 2 и 3 могут быть использованы для организации многопроцессорной системы, если SM2 = 1, то флаг RI будет устанавливаться только в том случае, когда принятый 9й бит = 1.

Регистр PCON:

Микросхемы изготовлены по n-МОП технологии, имеют только один разряд SMOD, остальные не используются.

SMOD - бит удвоения скорости передачи

GF0, GF1 - флаги общего назначения

PD - Power Down - бит включения режима микропотребления

IDL - Idle - бит включения режима "холостого хода"

PD. При переходе в этот режим отключаются все узлы микро ЭВМ, в том числе задающий генератор, сохраняется содержимое ОЗУ, напряжение питания может быть снижено до 2В. Выход из этого режима возможен только подачей сигнала сброса. Перед сбросом должно быть установлено напряжение питания.

IDL. Также предназначен для умменьшения энергопотребления. В этом режиме продолжает работать тактовый генератор и система прерываний. Выход возможен как подачей сигнала сброса, так и формированием запроса внешнего прерывания.

После установки PD или IDL выполнение программы прекращается.

14.Базы данных (БД). Системы управления базами данных (СУБД). Состав СУБД и назначение компонентов. Сравнительные характеристики существующих СУБД. Основные этапы проектирования информационной системы. На сегодняшний день не существует единого понятия БД. Иногда под БД подразумевают хранилище информации, иногда совокупность данных, а иногда систему, обеспечивающую функционирование информационного комплекса.

Будем понимать под БД:

1. совокупность данных, организованных с определённой целью.

2. совокупность предназначенных для машинной обработки данных, которая служит для удовлетворения нужд многих пользователей в рамках одной или нескольких сфер деятельности (организаций).

Совокупность данных должна быть определённым образом организована, т.е:

• Данные сохраняются;

• Имеют определённый формат;

• Доступны к использованию;

• Могут быть представлены в приемлемом виде (репрезентативны).

Наиболее широко БД используются в управленческой деятельности благодаря следующим свойствам:

• С помощью средств вычислительной техники можно обеспечить оперативный доступ к информации;

• Полнота доступа – вся информация в БД доступна к использованию (если это не противоречит установленной политике безопасности);

• Гибкость – современные БД позволяют не только легко изменять данные, но и саму структуру БД;

• Целостность - уменьшение кол-ва дублированных данных, появилась возможность автоматизировать многие операции.

Системы управления базами данных (СУБД) используются для упорядоченного хранения и обработки больших объемов информации. В процессе упорядочения информации СУБД генерируют базы данных, а в процессе обработки сортируют информацию и осуществляют ее поиск.

• СУБД представляет собой специальные пакеты программ, с помощью которых реализуется централизованное управление БД и обеспечивается доступ к данным

• Информация в базах данных структурирована на отдельные записи, которыми называют группу связанных между собой элементов данных. Характер связи между записями определяет тип использованной модели данных

• СУБД предоставляют вам возможность контролировать задание структуры и описание своих данных, работу с данными и организацию коллективного пользования этой информацией.

Основные функции СУБД:

1. Непосредственное управление данными во внешней памяти. 

Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, для убыстрения доступа к данным в некоторых случаях (обычно для этого используются индексы). В некоторых реализациях СУБД активно используются возможности существующих файловых систем, в других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти. Но в развитых СУБД пользователи в любом случае не обязаны знать, использует ли СУБД файловую систему, и если использует, то как организованы файлы. В частности, СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД.

2. Управление буферами оперативной памяти. 

СУБД обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере этот размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти. Понятно, что если при обращении к любому элементу данных будет производиться обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью устройства внешней памяти. Практически единственным способом реального увеличения этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти.

3. Управление транзакциями. 

Транзакция  -  это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое.  Либо транзакция успешно выполняется,  и  СУБД фиксирует  изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.

4. Журнализация. 

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя.

Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД  (по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя)  или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной.

Понятно, что в любом случае для восстановления БД нужно располагать некоторой дополнительной информацией. Другими словами, поддержание надежности хранения данных в БД требует избыточности хранения данных, причем та часть данных, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений БД.

Журнал - это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая с особой тщательностью (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД.

5. Поддержка языков БД

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language).