Разработка программной и аппаратной поддержки к методическим указаниям Программирование микроконтроллеров (стр. 3 из 18)
 |
Рис. 1.4. Структура АЛУ.
АЛУ обычно работает только с положительными целыми числами. Однако при выполнении вычитания получаются отрицательные числа, если вычитаемое больше уменьшаемого. Для представления отрицательных чисел используется дополнительный код – «дополнение до двух». Это необходимо учитывать при знакомстве с работой АЛУ.
Вместо вычитания одного числа из другого, происходит добавление отрицательного числа:
А – В = А + (-В),
где отрицательное число (-В) представляется в дополнительном коде. Чтобы получить дополнительный код отрицательного двоичного числа, необходимо инвертировать значение каждого бита, а затем прибавить единицу:
-В = ( В ^ 0хff ) + 1, где ^ - операция «исключительное или».
Сложность АЛУ во многом определяет сложность всего МК в целом. Часто над созданием АЛУ работает группа разработчиков, сравнимая по составу с той, которая работает над остальной частью микропроцессора или микроконтроллера. От того, как работает АЛУ, зависит функционирование процессора, входящего в состав МК, а значит и всего МК в целом.
При вызове подпрограммы или функции требуется сохранить содержимое СК для того, чтобы команда возврата могла вернуть управление исходной программе. Это может выполняться автоматически путем сохранения адреса возврата в сетке. При возврате к исходной программе адрес извлекается из стека и загружается в СК. Вызов функции может быть реализован в МК, не имеющих стека, путем использования индексного регистра для эмуляции стека. Если нельзя непосредственно загрузить в стек содержимое СК, то адрес возврата к исходной программе можно сохранить в эмулированном стеке.
Иногда приходится передавать функции некоторые параметры. Один из самых эффективных и часто встречаемых способов передачи параметров в функцию – это поместить их в стек перед вызовом функции. В подпрограмме можно загрузить индексный регистр значения указателя стека и таким образом получить доступ к параметрам.
Другим способом передачи параметров является их сохранение в регистрах процессора или в памяти данных в качестве специальных переменных. Передача параметров через регистры сокращает число регистров, доступных при выполнении функции. Сохранение же параметров в виде специальных переменных уменьшает объем памяти, доступной для использования программой. Данное ограничение может быть весьма существенно для МК. Обычно значения возвращаемых параметров загружаются в регистры процессора, т.к. это наиболее быстрый и эффективный способ передачи данных.
Прерывание – это запуск специальной подпрограммы (называемой «обработчиком прерывания» или «программой обслуживания прерывания»), который вызывается сигналом аппаратуры. На время выполнения этой подпрограммы реализация текущей программы останавливается(см. рис.1.5). Термин «запрос на прерывание» (interrupt request) используется потому, что иногда программа отказывается подтвердить прерывание и выполнить обработчик прерывания немедленно.
 |
Рис. 1.5. Выполнение прерываний.
МК может не реагировать на прерывания, пока не завершится выполнение текущей задачи – этот реализуется путем запрещения (маскирования) обслуживания запроса прерывания. После решения задачи возможен один из двух вариантов: сброс маски и разрешение обслуживания прерывания, что приведет к вызову обработчика прерывания, или анализ значения битов, указывающих на поступление запросов прерывания и непосредственное выполнение программы обслуживания без вызова обработчика прерывания. Такой метод обработки прерывания используется, когда требуется обеспечить заданное время выполнения основной программы, так как любое пребывание может нарушить реализацию необходимого интерфейса.
Обработчик всегда обеспечивает следующую последовательность действий:
1. Сохранить содержимое регистров контекста.
2. Сбросить контроллер прерываний и оборудование, вызвавшее запрос.
3. Обработать данные.
4. Восстановить содержимое регистров контекста.
5. Вернуться к прерванной программе.
Регистры контекста – это регистры, определяющие текущее состояние выполнения основной программы. Обычно к их относят СК, регистры состояния и аккумулятор. Другие регистры МК, такие как индексные регистры, могут быть использованы в процессе обработки прерывания, поэтому их содержимое также необходимо сохранить. Все остальные регистры являются специфическими для конкретного типа МК и его применения.
После сброса в исходное состояние контроллер прерываний готов воспринимать следующий запрос, а оборудование, вызывающее прерывание, готово посылать запрос, когда возникают соответствующие причины. Если поступит новый запрос прерывания, то регистр маскирования прерываний процессора предотвратит обработку прерывания, но регистр состояния прерываний зафиксирует этот запрос, который будет ожидать своего обслуживания. После завершения обслуживания текущего прерывания маска прерывание будет сброшена, и вновь поступивший запрос поступит на обработку.
Вложенные прерывания сложны некоторым типам МК, которые не имеют стека. Эти прерывания так же могут вызывать проблемы, связанные с переполнением стека.
Иногда МК может быстро отреагировать на запрос прерывания, приняв необходимые данные, которые будут потом использованы после решения текущей задачи. Это реализуется путем сохранения поступивших данных в массиве памяти и последующей их обработки, когда выполнение исходной программы буде завершено. Такой способ обслуживания является хорошим компромиссом между немедленной полной обработкой прерывания, которая может потребовать много времени, и игнорированием прерывания, что может привести к потере информации о событии, вызвавшем прерывание.
При обработке прерывания содержимое регистра состояния обычно (но не всегда) автоматически сохраняется вместе с содержимым СК перед обработкой прерывания. Это избавляет от необходимость сохранять его в памяти программными средствами с помощью команды пересылки, а затем восстанавливать при возврате к исходной программе. Однако такое автоматическое сохранение реализуется не во всех типах МК.
Если содержимое регистра состояния сохраняется перед началом обработки прерывания, то по команде возврата производится его автоматическое обновление. Если содержимое других регистров изменяется при выполнении обслуживания прерывания, то оно также должно быть сохранено в памяти до изменения и восстановлено перед возвратом в основную программу.
«Вектор прерывания» – это адрес, который загружается в СК при переходе к обработчику прерывания. Существует несколько типов векторов. Адрес, который загружается в СК при запуске МК (RESET) называется «вектор сброса». Для различных прерываний могут быть заданы различные вектора. Но иногда различным прерываниям назначается один вектор. Это не должно вызвать проблем при работе с МК, так как чаще всего он исполняет одну единственную программу. В МК, где аппаратная часть хорошо известна, не должно возникнуть каких либо проблем при совместном использовании векторов прерываний.
В заключении можно добавить, что системные подпрограммы – это своего рода программные прерывания, которые с помощью специальных процессорных команд имитируют аппаратные прерывания. Они располагаются в произвольном месте памяти, или могут требовать для обращения к ним межсегментных переходов.
Таймеры в микропроцессорных системах используются не только для обеспечения заданной задержки, но и для решения гораздо более широкого круга задач. Обычно для переключения таймера используют тактовые импульсы процессора. Загрузив в таймер начальное значение, можно отсчитывать определенные интервалы времени, фиксируя окончание интервала по моменту переполнения таймера. Часто перед таймером включают предварительный делитель тактовой частоты, чтобы иметь возможность отсчитывать более длинные интервалы времени. Делитель обеспечивает инкремент содержимого таймера после поступления определенного числа тактовых импульсов.
Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выходах МК, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи. Таймеры/счетчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая ЦП на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояний таймеров. Поскольку основное применение МК находят в системах реального времени, таймеры/счетчики являются их обязательным элементом. В некоторых модификациях число таймеров достигает 32.
Основной интерфейс между МК и внешними устройствами реализуется через параллельные порты ввода/вывода. Во многих МК выводы этих портов служат также для выполнения других функций, например последовательного или аналогового ввода/вывода.