Рис. 3.10. Регистр маски ведущего контроллера прерываний.

СОМ1, гибкий диск, а также выход от ведомого контроллера, подключаемый ко входу IRQ2 ведущего. Замаскированы оба параллельного порта (принтер, подключаемый к порту LPT1, обычно не использует прерываний, а второй параллельный порт часто просто отсутствует) и второй последовательный порт, к которому ничего не подключено. Другими словами, размаскировано все нужное, и замаскировано все ненужное.
В раде случаев возникает необходимость замаскировать прерывания от системного таймера, который является единственным постоянно активным источником прерываний. Такая ситуация типична, в частности, для автоматизированных измерительных систем, в которых недопустимо прерывать поток данных, поступающих от измерительной установки в компьютер. Любое прерывание процесса приема данных может привесит к потере части принимаемой информации и нарушению работы установки. Для запрета прерываний от таймера надо выполнить такую последовательность команд:

Восстановление исходного состояния вычислительной системы с разрешенными прерываниями от таймера осуществляется следующим образом:

Другим примером использования режима свободного доступа к устройству является программирование энергонезависимой КМОП-микросхемы, включающей в себя часы реального времени, о которых уже говорилось в разделе 5 этой главы, а также информацию о конфигурации компьютера и в некоторых случаях пароль. Общий объем КМОП-памяти составляет 64 байт (от 00h до 3Fh); доступ к байтам КМОП-памяти осуществляется через порты 70h и 71h.
В КМОП-микросхеме реализован способ обращения к ее отдельным ячейкам, широко используемый в микропроцессорной технике. Если программировать КМОП-память прямым образом, для обращения к ее 64 ячейкам в адресном пространстве ввода-вывода пришлось бы выделить 64 адреса. Для сокращения числа используемых адресов в состав микросхемы введены два служебных регистра - адресный и данных. В адресный регистр (порт 70h) заносится номер той ячейки КМОП-памяти, к которой требуется обращение. После этого чтение регистра данных (порт 7 Hi) позволяет прочитать содержимое выбранной ячейки, а запись в регистр данных выполняет передачу данного в эту ячейку. Приведем полный текст программы, которая читает содержимое ячейки с номером 0Dh. В ней хранится состояние батареи, питающей КМОП-микросхему. Если бит 7 этой ячейки установлен, батарея исправна; если этот бит сброшен, напряжение батареи упало ниже допустимого предела, и ее надо менять.

Пример 3-10. Чтение ячейки КМОП-микросхемы

Рассмотрим теперь программирование периферийного оборудования в режиме ожидания готовности на примере параллельного интерфейса. В стандартной конфигурации компьютера к параллельному интерфейсу обычно подключается принтер, однако его можно использовать и для связи с нестандартным (измерительным или управляющим) оборудованием.
В компьютерах используется разновидность параллельного интерфейса под названием Centronics, отличающаяся относительно высокой скоростью передачи данных (до 150 Кбайт/с) и простотой программирования. Правда, Centronics позволяет передавать данные только в одном направлении - из компьютера в устройство, однако эту проблему можно частично решить, если воспользоваться для приема данных линиями состояния интерфейса.
Разумеется, в установке, подключаемой к компьютеру через параллельный интерфейс, должно быть предусмотрено устройство сопряжения, воспринимающее и вырабатывающее сигналы обмена с интерфейсом.
Интерфейс Centronics подключается к периферийному устройству (принтеру) с помощью кабеля, содержащего 17 сигнальных линий и несколько линий нуля. Управление интерфейсом осуществляется через три закрепленных за ним порта: порта данных с адресом 378h, порта состояния принтера с адресом 379h и порта управления принтером с адресом 37Аh. Порты фактически представляют собой 8-разрядные регистры, биты которых соответствуют сигналам интерфейса. Некоторые из этих сигналов, конкретно, сигналы портов данных и управления, являются для интерфейса выходными; их должна устанавливать программа, управляющая передачей информации. Другие сигналы, наоборот, поступают из периферийного устройства и отображаются в состоянии закрепленных за ними битов порта состояния; программа должна читать и анализировать эти биты. На рис. 3.11 показаны порты интерфейса Centronics с указанием сигналов, соответствующим конкретным битам.

Рис. 3.11. Порты интерфейса Centronics

Программирование параллельного интерфейса требует некоторых сведений о его протоколе, т.е. последовательности и взаимодействии сигналов, которыми интерфейс обменивается с подключенным к нему устройством. Некоторые из этих сигналов имеют узко специализированное назначение и возникают лишь в особых случаях (например, сигнал РЕ - конец бумаги), другие же принимают обязательное участие в процедуре передачи данных. К последним относятся 8 бит данных и три управляющих сигнала STROBE', BUSY и АСК' (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Протокол передачи данных для интерфейса Centronics.

Сигнал BUSY считается активным, когда он имеет высокое значение. В противоположность этому активное состояние сигналов STROBE' и АСК' низкое, отчего они и обозначаются с тем или иным дополнительным значком (с чертой наверху, со знаком минус или с апострофом, как у нас). Прослеживая соответствие сигналов интерфейса состоянию битов его портов, необходимо иметь в виду, что для некоторых сигналов (SLCT, РЕ, STROBE) в порты записываются их прямые значения, а для других (ERROR, АСК, BUSY) - инверсные.
Вывод на принтер каждого байта данных состоит из трех этапов. Прежде всего программа должна дождаться неактивного состояния сигналов BUSY и АСК (это и есть ожидание готовности устройства). Убедившись, что биты 6 и 7 порта состояния 379h установлены в 1 (см. рис. 3.11), программа посылает в порт данных 378h байт данных, что приводит к установке кода данных на линиях интерфейса D7...D0. Наконец, программа должна установить на короткое время сигнал STROBE, что реализуется путем установки и затем сброса бита 0 порта управления 37All. Следующие байты посылаются точно таким же образом.
Выполняя все эти операции, необходимо учитывать временные характеристики интерфейса. Сигнал STROBE можно посылать в порт управления не ранее, чем через 0,5 мкс после установки данных, что может потребовать введению в программу небольшой программной задержки (одной или нескольких команд jmp, см. приведенный ниже текст программы). То же относится и к длительности сигнала STROBE, которая не должна быть меньше той же величины 0,5 мкс. Практически программные задержки часто оказываются не нужны.
Обратимся еще раз к рис. 3.12. Принтер, сняв с линий данных байт данных, и начав его обработку (вывод на печать или сохранение во внутренней памяти), устанавливает ответный сигнал BUSY, действующий все время, пока принтер занят обработкой байта данных. Закончив обработку байта, принтер на некоторое время устанавливает сигнал АСК и сбрасывает сигнал BUSY. Окончание сигнала АСК (при сброшенном состоянии сигнала BUSY) говорит интерфейсу об окончании данной операции обмена и о возможности посылки следующего байта данных. Ввиду краткости сигнала АСК часто оказывается, что ожидать его снятия нет необходимости; достаточно дождаться неактивного состояния сигнала BUSY (т.е. 1 в бите 7 порта состояния). Вообще следует заметить, что различные принтеры могут несколько по разному выполнять свою часть протокола обмена. Рассмотренный ниже пример отлаживался на принтере Epson LQ100.
Приведем текст программы, в которой принтер программируется, как говорят, на физическом уровне, т.е. путем обращения к его портам. Разумеется, в большинстве случаев для вывода на принтер текста из выполняемой программы проще воспользоваться функциями DOS. Однако в некоторых специальных случаях приходится прибегать и к программированию через порты, например, если принтер используется в нестандартном режиме, или параллельный интерфейс служит для связи с нестандартным устройством.
В приведенном примере предполагается, что принтер выбран и установлен в исходное рабочее состояние, что обычно выполняется автоматически при его включении. Свидетельством этого будут установленные биты 2 и 3 (SLCT IN и INIT) в порте управления, а также бит 4 (SLCT) в порте состояния. В программе не выполняется анализ байта состояния на наличие ошибки или конца бумаги, что при работе с принтером, вообще говоря, следует предусматривать.
Третий метод программирования периферийного устройства - режим прерываний - рассмотрим на примере обработки прерывания от мыши. Как известно, мышь обычно подключается к первому последовательному порту СОМ1 и работает в режиме прерываний. Нажатие или отпускание любой клавиши, так же, как даже минимальное перемещение по столу, вырабатывает сигналы прерываний, сопровождаемые определенными кодами, которые поступают в порт данных интерфейса. Написав собственный обработчик прерываний для последовательного порта, мы получим возможность выполнять заданные действия, например, при нажатии левой и правой клавиш мыши. Следует подчеркнуть, что эти действия начнут выполняться практически в тот же момент, когда мы нажали на клавишу. В приведенной ниже программе при нажатии левой клавиши в центр экрана выводится цветная надпись "Левая!", а при нажатии правой клавиши - надпись "Правая" другого цвета.
Для того, чтобы приведенная программа работала, следует загрузить драйвер мыши, который инициализирует последовательный интерфейс и саму мышь. В состав этого драйвера входит свой обработчик прерываний. Мы замещаем его адрес в векторе 0Ch адресом нашего обработчика, и поскольку в программе не предусмотрено сцепление обработчиков, на время действия программы стандартная обработка прерываний от мыши отключается. Перед завершением программы содержимое вектора 0Сh восстанавливается, и мышь опять начинает работать, как обычно.
Каждое нажатие (или отпускание) клавиши мыши, так же, как и ее перемещение, в действительности вырабатывают не по одному, а по три последовательных прерывания с различными кодами в порте данных интерфейса. Так, нажатие левой клавиши мыши дает последовательность кодов 60h, 0, 0, нажатие правой клавиши - последовательность 50h, 0, 0, отпускание любой клавиши - 40h, 0, 0, перемещение вверх - 4Ch, 0, 3Fh, перемещение вниз - 40h, 0, 1 и т.д. Таким образом, по-настоящему надо было сохранять в обработчике прерываний все три кода и затем анализировать всю последовательность. Мы для простоты ограничились анализом только первого кода. Как видно из приведенного выше перечня, анализ одного кода не дает возможность отличить, например, отпускание клавиши от перемещения вниз.
Коды, генерируемые мышью, могут зависеть от ее типа, что надо учитывать при подготовке этого примера. Для получения значений генерируемых кодов можно предусмотреть в обработчике прерываний вывод их на экран с помощью функции прерывания 10h BIOS, как это было сделано, например, в примере 3-5, или прямым выводом в видеобуфер. Следует только иметь в виду, что перехват любого прерывания от последовательного интерфейса должен обязательно сопровождаться чтением из его порта данных, так как интерфейс может принять очередной байт данных только после чтения предыдущего и освобождения своего регистра данных.

Пример 3-12. Программирование мыши в режиме прерываний

Приведенный пример с точки зрения его структуры построен обычным образом. Исходное содержимое вектора 0Ch сохраняется в ячейке old_0c и используется перед завершением программы для восстановления вектора. Для упрощения установки обработчика прерываний программа написана без сегмента данных; ее немногие данные размещены в сегменте команд. Поскольку в начале программы регистр DS настраивается на сегмент команд, адресация к данным (в основной программе) возможна через DS. Для того, чтобы можно было наблюдать обработку прерываний от мыши, основная программа после выполнения инициализирующих действий останавливается с помощью функции 01h DOS ожидания ввода символа с клавиатуры. После нажатия любой клавиши программа завершается, восстановив предварительно исходное состояние вектора последовательного порта.
Действия, которые должны инициироваться нажатием левой или правой клавиш мыши (например, включение или выключение некоторого оборудования), в программе заменены выводом на экран коротких диагностических сообщений. Вывод осуществляется прямой записью в видеобуфер, поскольку, как уже говорилось ранее, в обработчике аппаратных прерываний нельзя использовать функции DOS и рискованно - функции BIOS. Вывод на экран с помощью команд обработки строк lodsb и stosw требует настройки большого количества регистров - в DS:SI должен находиться адрес строки-источника, в ES:DI адрес позиции в видеобуфере, в СХ число выводимых символов. Кроме этого, в обработчике прерываний используются регистры АХ, ВХ и DX. Для сохранения всех регистров общего назначения используется команда pusha, а для их восстановления команда рора. Однако эти команды не принимают в расчет сегментные регистры, и их приходится сохранять и восстанавливать от дельными командами.
С восстановлением регистров может возникнуть некоторая сложность. Обработчик прерывания должен завершаться посылкой в контроллер прерываний команды EOI, а для этого необходим регистр AL. Поэтому восстановление регистров, во всяком случае, регистра АХ, необходимо выполнять после команды EOI. С другой стороны, команда EOI разблокирует нижележащие уровни прерываний в контроллере прерываний (см. гл. 3), что может привести к прохождению через контроллер очередного (вложенного в наше) прерывания, которое прервет наш обработчик в точке, где еще не восстановлены регистры. Это неминуемо приведет к краху системы. Однако в процессоре предусмотрены меры устранения этого неприятного явления. Остановимся на них более подробно.
Процессор, приняв любой сигнал прерывания, сбрасывает флаг IF в своем регистре флагов, запрещая тем самым все аппаратные прерывания. Поэтому вход в обработчик прерываний всегда осуществляется при запрещенных прерываниях. Блокировка нижележащих уровней в контроллере прерываний просто накладывается на этот общий запрет и новых ограничений не вносит.
Если в тексте обработчике прерываний нет команды разрешения прерываний sti, то прерывания будут запрещены до самого его конца, до завершающей команды iret. Эта команда извлекает из стека и восстанавливает исходное содержимое регистров CS:IP, а также регистра флагов. В момент прерывания в регистре флагов был безусловно установлен флаг IF, иначе прерывание не могло бы возникнуть. Восстановление регистра флагов приводит к установке этого флага и разрешению всех аппаратных прерываний, но уже после завершения обработчика прерываний. Таким образом, снятие аппаратной блокировки прерываний командой EOI в действительности не приводит к разрешению прерываний, и любые строки, стоящие после этой команды, выполняются при запрещенных прерываниях. В результате никаких проблем с восстановлением регистров после команды EOI не возникает.
Обычно, однако, используется другой вариант построения обработчика прерываний. В этом варианте в начале программы обработчика выполняется команда sti, устанавливающая флаг IF и разрешающая все аппаратные прерывания, кроме тех, которые заблокированы в контроллере прерываний. В результате программа обработчика может быть прервана любым прерыванием более высокого уровня IRQ (т.е. уровня с меньшим номером), но не прерывается сигналами прерываний этого же и более низких уровней. Такое построение обработчиков прерываний удобно тем, что "более важные" прерывания, например, от таймера или клавиатуры, могут быть обработаны без задержки. Для того, чтобы исключить возможные неприятности с восстановлением регистра АХ после команды EOI, перед ней прерывания запрещаются командой cli и структура обработчика прерываний приобретает приблизительно такой вид:

Команды рора и iret выполняются в этому случае при запрещенных прерываниях, но после отработки команды iret в регистре флагов восстанавливается его исходное содержимое (в котором IF = 1), и прерывания, таким образом, снова разрешаются.