Tài liệu Lập trình hệ thống - Phạm Hùng Kim Khánh

130 trang hapham 4400

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Lập trình hệ thống - Phạm Hùng Kim Khánh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

tai_lieu_lap_trinh_he_thong_pham_hung_kim_khanh.pdf

Nội dung text: Tài liệu Lập trình hệ thống - Phạm Hùng Kim Khánh

Giáo trình he thong download form www.geosoftvn.com Tu sach MÁY TÍNH
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Chương 1 KIẾN TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ VI XỬ LÝ / MÁY TÍNH 1. Cấu trúc luận lý Máy tính số (Digital computer) là máy giải quyết các vấn đề bằng cách thực hiện các chỉ thị do con người cung cấp. Chuỗi các chỉ thị này gọi là chương trình (program). Các mạch điện tử trong một máy tính số sẽ thực hiện một số giới hạn các chỉ thị đơn giản cho trước. Tập hợp các chỉ thị này gọi là tập lệnh của máy tính. Tất cả các chương trình muốn thực thi đều phải được biến đổi sang tập lệnh trước khi được thi hành. Các lệnh cơ bản là: - Cộng 2 số. - So sánh với 0. - Di chuyển dữ liệu. Tập lệnh của máy tính tạo thành một ngôn ngữ giúp con người có thể tác động lên máy tính, ngôn ngữ này gọi là ngôn ngữ máy (machine language). Tuy nhiên, hầu hết các ngôn ngữ máy đều đơn giản nên để thực hiện một yêu cầu nào đó, người thiết kế phải thực hiện một công việc phức tạp. Đó là chuyển các yêu cầu này thành các chỉ thị có chứa trong tập lệnh của máy. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách thiết kế một tập lệnh mới thích hợp cho con người hơn tập lệnh đã cài đặt sẵn trong máy (built-in). Ngôn ngữ máy sẽ được gọi là ngôn ngữ cấp 1 (L1) và ngôn ngữ vừa được hình thành gọi là ngôn ngữ cấp 2 (L2). Tuy nhiên, trong thực tế, để có thể thực hiện được, các ngôn ngữ L1 và L2 không được khác nhau nhiều. Như vậy, ngôn ngữ L2 cũng không thật sự giúp ích nhiều cho người thiết kế. Do đó, một tập lệnh kế tiếp được hình thành sẽ hướng về con người nhiều hơn là máy tính, tập lệnh này sẽ tạo thành một ngôn ngữ và ta gọi là ngôn ngữ L3. Ta có thể viết các chương trình trong L3 như là đã tồn tại máy tính sử dụng ngôn ngữ L3 (máy ảo L3). Các chương trình này sẽ được dịch sang ngôn ngữ L2 và được thực thi bằng một chương trình dịch L2. Việc xây dựng toàn bộ chuỗi các ngôn ngữ, mỗi ngôn ngữ được tạo ra sẽ thích hợp hơn ngôn ngữ trước đó sẽ có thể tiếp tục cho đến khi nhận được ngôn ngữ thích hợp nhất. Sơ đồ một máy ảo n cấp có thể biểu diễn như sau: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 1
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 C ấp n Máy ảo Mn dùng ngôn Chương trình trong Ln được dịch thành ngữ máy Ln ngôn ngữ của máy cấp thấp hơn C ấp 3 Máy ảo M3 dùng ngôn Chương trình trong L3 được dịch thành ngữ máy L3 ngôn ngữ L2 hay L1 Cấp 2 Máy ảo M2 dùng ngôn Chương trình trong L2 được dịch thành ngữ máy L2 ngôn ngữ máy L1 Cấp 1 Máy tính số M1 dùng Chương trình trong L1 được thực thi trực ngôn ngữ máy L1 tiếp bằng các mạch điện tử Hình 1.1. Máy ảo n cấp Một máy tính số có n cấp có thể xem như có n-1 máy ảo khác nhau, mỗi máy ảo có một ngôn ngữ máy riêng. Các chương trình viết trên các máy ảo này không thể thực thi trực tiếp mà phải dịch thành các ngôn ngữ máy cấp thấp hơn. Chỉ có máy thật dùng ngôn ngữ máy L1 mới có thể thực thi trực tiếp bằng các mạch điện tử. Một lập trình viên sử dụng máy ảo cấp n không cần biết tất cả các trình dịch này. Chương trình trong máy ảo cấp n sẽ được thực thi bằng cách dịch thành ngôn ngữ máy cấp thấp hơn và ngôn ngữ máy này sẽ được dịch thành ngôn ngữ máy thấp hơn nữa hay dịch trực tiếp thành ngôn ngữ máy L1 và thực thi trực tiếp trên các mạch điện tử. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 2
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Về cơ bản, máy tính gồm có 6 cấp: Cấp 5 Cấp ngôn ngữ hướng vấn đề Dịch (chương trình dịch) Cấp 4 Cấp ngôn ngữ hợp dịch Dịch (hợp dịch) Cấp 3 Cấp hệ điều hành Dịch 1 phần (hệ điều hành) Cấp 2 Cấp máy quy ước Thông dịch (vi chương trình) Cấp 1 Cấp vi lập trình Vi chương trình (phần cứng) Cấp 0 Cấp logic số Hình 1.2 – Các cấp trên máy tính số Cấp 0 chính là phần cứng của máy tính. Các mạch điện tử của cấp này sẽ thực thi các chương trình ngôn ngữ máy của cấp 1. Trong cấp logic số, đối tượng quan tâm là các cổng logic. Các cổng này được xây dựng từ một nhóm các transistor. Cấp 1 là cấp ngôn ngữ máy thật sự. Cấp này có một chương trình gọi là vi chương trình (microprogram), vi chương trình có nhiệm vụ thông dịch các chỉ thị của cấp 2. Hầu hết các lệnh trong cấp này là di chuyển dữ liệu từ phần này đến phần khác của máy hay thực hiện việc một số kiểm tra đơn giản. Mỗi máy cấp 1 có một hay nhiều vi chương trình chạy trên chúng. Mỗi vi chương trình xác định một ngôn ngữ cấp 2. Các máy cấp 2 đều có nhiều điểm chung ngay cả các máy cấp 2 của các hãng sản xuất khác nhau. Các lệnh trên máy cấp 2 được thực thi bằng cách thông dịch bởi vi chương trình mà không phải thực thi trực tiếp bằng phần cứng. Cấp thứ 3 thường là cấp hỗn hợp. Hầu hết các lệnh trong ngôn ngữ của cấp máy này cũng có trong ngôn ngữ cấp 2 và đổng thời có thêm một tập lệnh mới, một tổ chức bộ Phạm Hùng Kim Khánh Trang 3
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 nhớ khác và khả năng chạy 2 hay nhiều chương trình song song. Các lệnh mới thêm vào sẽ được thực thi bằng một trình thông dịch chạy trên cấp 2, gọi là hệ điều hành. Nhiều lệnh cấp 3 được thực thi trực tiếp do vi chương trình và một số lệnh khác được thông dịch bằng hệ điều hành (do đó, cấp này là cấp hỗn hợp). Cấp 4 thật sự là dạng tượng trưng cho một trong các ngôn ngữ. Cấp này cung cấp một phương pháp viết chương trình cho các cấp 1, 2, 3 dễ dàng hơn. Các chương trình viết bằng hợp ngữ được dịch sang các ngôn ngữ của cấp 1, 2, 3 và sau đó được thông dịch bằng các máy ảo hay thực tương ứng. Cấp 5 bao gồm các ngôn ngữ được thiết kế cho người lập trình nhằm giải quyết một vấn đề cụ thể. Các ngôn ngữ này được gọi là cấp cao. Một số ngôn ngữ cấp cao như Basic, C, Cobol, Fortran, Lisp, Prolog, Pascal và các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng như C++, J++, Các chương trình viết bằng các ngôn ngữ này thường được dịch sang cấp 3 hay 4 bằng các trình biên dịch (compiler). 2. Giao tiếp ngoại vi Ta phân biệt tất cả 3 phương pháp xuất / nhập dữ liệu: - Nhập / xuất bằng cách hỏi trạng thái của thiết bị ngoại vi (polling) - Nhập / xuất bằng ngắt (interrupt). - Nhập / xuất bằng cách truy xuất trực tiếp vào bộ nhớ dùng các phần cứng phụ trợ (DMA). 2.1. Nhập / xuất dữ liệu bằng cách hỏi vòng (polling) Ta biết rằng vấn đề điều khiển nhập / xuất dữ liệu sẽ rất đơn giản trong trường hợp thiết bị ngoại vi lúc nào cũng có thể làm việc với μP. Ta có thể ví dụ như bộ hiển thị Led 7 đoạn lúc nào cũng sẵn sàng hiển thị dữ liệu khi mà μP gởi dữ liệu ra. Tuy nhiên, trong thực tế, không phải lúc nào μP cũng làm việc với các thiết bị ngoại vi có tính năng như trên. Ví dụ như khi làm việc với một máy in, μP yêu cầu in nhưng máy in không sẵn sàng (giả sử như hết giấy, kẹt giấy, ). Khi đó, μP phải kiểm tra xem một thiết bị mà nó cần giao tiếp có sẵn sàng hay không nếu thiết bị sẵn sàng thì mới thực hiện trao đổi dữ liệu. Để kiểm tra các thiết bị ngoại vi, μP phải sử dụng các tín hiệu bắt tay (handshake) xác định tuần tự từng thiết bị, xem thiết bị nào có yêu cầu trao đổi dữ liệu. Các tín hiệu này lấy từ các mạch giao tiếp do người thiết kế tạo ra. Giả sử hệ thống có 2 thiết bị ngoại vi, nếu thiết bị 1 có dữ liệu cần truyền đến μP thì nó sẽ gởi 1 xung để chốt dữ liệu đồng thời tạo tín hiệu sẵn sàng cho thiết bị. Khi μP kiểm tra tín hiệu sẵn sàng của thiết bị 1 thì nó sẽ đọc dữ liệu vào từ mạch chốt và xoá tín hiệu sẵn sàng. Trong trường hợp μP muốn gởi dữ liệu ra thiết bị 2, nó sẽ đọc tín hiệu sẵn sàng của thiết bị 2, nếu thiết bị 2 có thể nhận dữ liệu thì μP sẽ gởi dữ liệu ra mạch chốt và thiết bị 2 sẽ đọc dữ liệu vào. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 4
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 2.2. Ngắt và xử lý ngắt Trong cách thức thực hiện trao đổi dữ liệu bằng cách hỏi vòng như trên, trước khi tiến hành thực hiện thì μP phải kiểm tra trạng thái sẵn sàng của thiết bị ngoại vi. Tuy nhiên trong thực tế ta cần phải tận dụng khả năng của μP để làm các công việc khác mà không phải tốn thời gian kiểm tra thiết bị, chỉ khi nào có yêu cầu trao đổi dữ liệu thì mới tạm dừng công việc hiện tại. Cách làm việc như vậy gọi là ngắt μP, khi có một ngắt xảy ra thì ta phải thực hiện gọi các chương trình phục vụ ngắt tại các địa chỉ xác định của μP. Các tín hiệu ngắt từ thiết bị ngoại vi đưa vào μP thông qua các chân NMI hay INTR. 2.2.1. Các loại ngắt Ngắt cứng: là các yêu cầu ngắt từ các chân NMI hay INTR. Ngắt cứng NMI là ngắt không che được còn ngắt cứng INTR có thể che được. Các lệnh CLI (Clear Interrupt) và STI (Set Interrupt) chỉ ảnh hưởng đến việc μP có chấp nhận yêu cầu ngắt tại chân INTR hay không. Yêu cầu ngắt tại chân INTR có thể có các kiểu ngắt từ 00h ÷ FFh. Kiểu ngắt này sẽ được đưa vào bus dữ liệu để μP xác định kiểu ngắt (dùng cho các thiết bị ngoại vi khác nhau). 1 40 2 GND VCC 39 3 AD14 AD15 38 4 AD13 A16/S3 37 74LS245 5 AD12 A17/S4 36 VCC 1 6 AD11 A18/S5 35 19 DIR 7 AD10 A19/S6 34 G 8 AD9 BHE/S7 33 9 11 9 AD8 MN/MX 32 8 A8 B8 12 10 AD7 RD 31 7 A7 B7 13 11 AD6 HOLD (RQ/GT0) 30 6 A6 B6 14 12 AD5 HLDA (RQ/GT1) 29 5 A5 B5 15 13 AD4 WR (LOCK) 28 4 A4 B4 16 14 AD3 IO/M (S2) 27 3 A3 B3 17 15 AD2 DT/R (S1) 26 2 A2 B2 18 16 AD1 DEN (S0) 25 A1 B1 17 AD0 ALE (QS0) 24 1 18 NMI INTA (QS1) 23 INT7 2 19 INTR TEST 22 INT6 3 20 CLK READY 21 INT5 4 GND RESET INT4 8 8086 5 INT3 6 INT2 11 INT1 12 INT0 Hình 1.3 – Kết nối ngắt đơn giản Ngắt mềm: là các ngắt thực hiện bằng phần mềm tác động do người sử dụng. 2.2.2. Đáp ứng của μP khi có yêu cầu ngắt Khi có yêu cầu ngắt đến μP và nếu được phép ngắt, μP sẽ thực hiện các công việc sau: - [SP] ← SP – 2, [SP] ← FR (Flag Register): cất thanh ghi cờ vào stack. - IF ← 0, TF ← 0: không cho thực hiện các ngắt khác. - SP ← SP – 2, [SP] ← CS: cất địa chỉ đoạn mã vào stack. - SP ← SP – 2, [SP] ← IP: cất địa chỉ trở về sau khi phục vụ ngắt Phạm Hùng Kim Khánh Trang 5
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 - IP ← [Số_hiệu_ngắt*4], CS ← [Số_hiệu_ngắt*4 + 2]: lấy lệnh tại địa chỉ phục vụ ngắt tương ứng - Sau khi kết thúc chương trình con phục vụ ngắt (khi gặp lệnh IRET): + IP ← [SP], SP ← SP + 2 + CS ← [SP], SP ← SP + 2: lấy lại địa chỉ trước khi gọi chương trình phục vụ ngắt + FR ← [SP], SP ← SP + 2: lấy lại giá trị thanh ghi cờ 2.2.3. Xử lý ưu tiên ngắt Như ta đã biết ở trên, khi μP đang thực hiện lệnh, nếu có ngắt xảy ra thì μP sẽ tạm ngừng chương trình và thực thi chương trình con phục vụ ngắt. Trong thực tế sẽ có trường hợp có nhiều yêu cầu ngắt khác nhau cùng một lúc, khi đó μP sẽ phục vụ cho ngắt theo thứ tự ưu tiên với nguyên tắc là ngắt nào có mức ưu tiên cao nhất thì sẽ phục vụ cho ngắt đó trước. Các mức ưu tiên của các ngắt (từ mức thấp nhất đến mức cao nhất): - Ngắt thực hiện chạy từng lệnh (INT 1) - Ngắt che được INTR - Ngắt không che được NMI - Ngắt nội bộ (INT 0: xảy ra do phép chia số 0, ngắt mềm) 2.3. Nhập / xuất dữ liệu bằng DMA (Direct Memory Access) Trong các phương thức trao đổi dữ liệu như hai phần trên đã trình bày thì việc trao đổi dữ liệu giữa thiết bị ngoại vi và hệ thống thường theo trình tự sau: từ ngoại vi đến vi xử lý rồi đi vào bộ nhớ hay từ bộ nhớ đến vi xử lý rồi ghi ra ngoại vi. Trong thực tế sẽ có trường hợp ta cần thực hiện trao đổi dữ liệu ngay giữa ngoại vi và bộ nhớ. Khi đó người ta đưa ra cơ chế truy xuất bộ nhớ trực tiếp (DMA). Để thực hiện được vấn đề này, các hệ vi xử lý thông thường dùng thêm các mạch chuyên dụng để điều khiển quá trình truy xuất bộ nhớ trực tiếp (DMAC – Direct Memory Access Controller). Có tất cả 3 cơ chế hoạt động: ¾ Tận dụng thời gian CPU không dùng bus: Ta phải dùng thêm mạch phát hiện các chu kỳ xử lý nội của CPU và tận dụng các chu kỳ này để thực hiện trao đổi dữ liệu. ¾ Treo CPU để trao đổi từng byte: CPU không bị treo trong khoảng thời gian dài mà chỉ bị treo trong thời gian ngắn đủ để trao đổi 1 byte dữ liệu giữa bộ nhớ và ngoại vi. Do đó, công việc của CPU không bị gián đoạn mà chỉ bị chậm đi. ¾ Treo CPU một khoảng thời gian để trao đổi một khối dữ liệu: Trong cơ chế này, CPU bị treo trong suốt quá trình trao đổi dữ liệu. - CPU ghi từ lệnh và từ chế độ làm việc vào DMAC. - Khi thiết bị ngoại vi có yêu cầu trao đổi dữ liệu, nó gởi tín hiệu DRQ = 1 (DMA Request) đến DMAC. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 6
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 - DMAC gởi tín hiệu HRQ (Hold Request) đến chân HOLD của CPU để yêu cầu treo CPU. Tín hiệu này sẽ giữ ở mức cao cho đến hết quá trình trao đổi dữ liệu. - Sau khi nhận yêu cầu treo, CPU sẽ thực hiện hết chu kỳ bus của m?nh rồi treo các bus và gởi tín hiệu HLDA (Hold Acknowledge) để báo cho DMAC biết có thể sử dụng các bus. - DMAC chuyển dữ liệu từ bộ nhớ đến ngoại vi bằng cách: đưa địa chỉ byte đầu tiên ra bus địa chỉ và đưa tín hiệu MEMR để đọc 1 byte từ bộ nhớ, kế tiếp DMAC đưa tín hiệu IOW để ghi dữ liệu ra ngoại vi. Sau đó, DMAC giảm số byte cần truyền, cập nhật địa chỉ bộ nhớ và lặp lại quá trình cho đến khi hết byte cần truyền. Address bus μP Data bus DMAC I/O Memory HOLD HRQ DRQ DRQ HLDA HACK DACK DACK Control bus Hình 1.4 – Giao tiếp DMAC với hệ vi xử lý Hai tín hiệu dùng để yêu cầu treo và chấp nhận yêu cầu treo CPU dùng cho cơ chế DMA là HOLD và HLDA có thể mô tả như sau: T4 hay T1 CLK HOLD HLDA Hình 1.5 – Tín hiệu HOLD và HLDA Phạm Hùng Kim Khánh Trang 7
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 3. Bus CPU Bus hệ thống (system bus) Registers ALU Memory I/O board board Bus nội (on-chip bus) Bus cục bộ (local bus) Đồng xử lý Hình 1.6 - Các bus trong một hệ thống máy tính Bus là đường truyền tín hiệu điện nối các thiết bị khác nhau trong một hệ thống máy tính. Bus thường có từ 50 đến 100 dây dẫn được gắn trên mainboard, trên các dây này có các đầu nối đưa ra, các đầu này được sắp xếp và cách nhau những khoảng quy định để có thể cắm vào đó những I/O board hay board bộ nhớ (bus hệ thống – system bus). Cũng có những bus dùng cho mục đích chuyên biệt, thí dụ nối 1 vi xử lý với 1 hay nhiều vi xử lý khác hoặc nối với bộ nhớ cục bộ (local bus). Trong vi xử lý cũng có một số bus để nối các thành phần bên trong của bộ vi xử lý với nhau. Người thiết kế chip vi xử lý có thể tuỳ ý lựa chọn loại bus bên trong nó, còn với các bus liên hệ bên ngoài cần phải xác định rõ các quy tắc làm việc cũng như các đặc điểm kỹ thuật về điện và cơ khí của bus để người thiết kế mainboard có thể ghép nối chip vi xử lý với các thiết bị khác. Nói cách khác, các bus này phải tuân theo 1 chuẩn nào đó. Tập các quy tắc của chuẩn còn được gọi là giao thức bus (bus protocol) Thường có nhiều thiết bị nối với bus, một số thiết bị là tích cực (active) có thể đòi hỏi truyền thông trên bus, trong khi đó có các thiết bị thụ động chờ yêu cầu từ các thiết bị khác. Các thiết bị tích cực được gọi là chủ (master) còn thiết bị thụ động là tớ (slave). Ví dụ: Khi CPU ra lệnh cho bộ điều khiển đĩa đọc/ghi một khối dữ liệu thì CPU là master còn bộ điều khiển đĩa là slave. Tuy nhiên, bộ điều khiển đĩa ra lệnh cho bộ nhớ nhận dữ liệu thì nó lại giữ vai trò master. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 8
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 3.1. Bus Driver và Bus Receiver Tín hiệu điện trong máy tính phát ra thường không đủ để điều khiển bus, nhất là khi bus khá dài và có nhiều thiết bị nối với nó. Chính vì thế mà hầu hết các bus master được nối với bus thông qua 1 chip gọi là bus driver, về cơ bản nó là một bộ khuếch đại tín hiệu số. Tương tự như vậy, hầu hết các slave được nối với bus thông qua bus receiver. Đối với các thiết bị khi thì đóng vai trò master, khi thì đóng vai trò slave, người ta sử dụng 1 chip kết hợp gọi là transceiver. Các chip này đóng vai trò ghép nối và là các thiết bị 3 trạng thái, cho phép nó có thể ở trạng thái thứ 3 – hở mạch (thả nổi). Giống như vi xử lý, bus có các đường địa chỉ, đường số liệu và đường điều khiển. Tuy nhiên, không nhất thiết có ánh xạ 1 – 1 giữa các tín hiệu ở các chân ra của vi xử lý và các đường dây của bus. Thí dụ: một số chíp vi xử lý có 3 chân ra, truyền ra các tín hiệu báo chíp vi xử lý đang thực hiện các thao tác MEMR , MEMW , IOR , IOW hay thao tác khác. Một bus điển hình thường có 4 đường trên. Các vấn đề quan trọng nhất liên quan đến thiết kế bus là: xung clock bus (sự phân chia thời gian, hay còn gọi là bus blocking), cơ chế phân xử bus (bus arbitration), xử lý ngắt và xử lý lỗi. Các bus có thể được chia theo giao thức truyền thông thành hai loại riêng biệt là bus đồng bộ và bus không đồng bộ phụ thuộc vào việc sử dụng clock bus. 3.2. Bus đồng bộ (Synchronous bus) Mỗi chu kỳ bus bắt đầu bằng việc xuất địa chỉ bộ nhớ hoặc I/O port (chu kỳ xung nhịp T1). Bus điều khiển có 4 tín hiệu tác động mức thấp là MEMR , MEMW , IOR và IOW . Các chuỗi sự kiện xảy ra trong một chu kỳ bus đọc bộ nhớ: T1: μP xuất địa chỉ bộ nhớ 20 bit. Các đường dữ liệu không hoạt động và các đường điều khiển bị cấm T2: Đường điều khiển MEMR xuống mức thấp. Đơn vị bộ nhớ ghi nhận chu kỳ bus này là quá trình đọc bộ nhớ và đặt byte hay word có địa chỉ đó lên data bus. T3: μP đặt cấu hình để các đường data bus là nhập. Trạng thái này chủ yếu để bộ nhớ có thời gian tìm kiếm byte hay word dữ liệu T4: μP đợi dữ liệu trên data bus. Do đó, nó thực hiện chốt data bus và giải phóng các đường điều khiển đọc bộ nhớ. Quá trình này sẽ kết thúc chu kỳ bus. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 9
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 T1 T2 T3 T4 Clk Address bus Địa chỉ IOR hay Đọc bộ nhớ hay MEMR I/O Data bus Dữ liệu vào Address Địa chỉ bus Ghi bộ IOW hay nhớ hay MEMW I/O Dữ liệu ra Data bus Hình 1.7 – Định thì chu kỳ bus đồng bộ Trong một chu kỳ bus, μP có thể thực hiện đọc I/O, ghi I/O, đọc bộ nhớ hay ghi bộ nhớ. Các đường address bus và control bus dùng để xác định địa chỉ bộ nhớ hay I/O và hướng truyền dữ liệu trên data bus. Chú ý rằng μP điều khiển tất cả các quá trình trên nên bộ nhớ bắt buộc phải cung cấp được dữ liệu vào lúc MEMR lên mức cao trong trạng thái T4. Nếu không, μP sẽ đọc dữ liệu ngẫu nhiên không mong muốn trên data bus. Để giải quyết vấn đề này, ta có thể dùng thêm các trạng thái chờ (wait state). Truyền theo khối: Ngoài các chu kỳ đọc/ghi, một số bus truyền dữ liệu đồng bộ còn hỗ trợ truyền dữ liệu theo khối. Khi bắt đầu thao tác đọc khối, bus master báo cho slave biết số byte cần được truyền đi, thí dụ truyền con số này đi trong chu kỳ T1, sau đó đáng lẽ truyền đi 1 byte, slave đưa ra trong mỗi chu kỳ 1 byte cho tới khi đủ số byte được thông báo. Như vậy, khi đọc dữ liệu theo khối, n byte dữ liệu cần n+2 chu kỳ clock chứ không phải 3n chu kỳ. Một cách khác để cho truyền dữ liệu nhanh hơn là giảm chu kỳ. Tuy nhiên, giảm chu kỳ bus dẫn đến khó khăn về mặt kỹ thuật, các tín hiệu truyền trên các đường khác nhau không phải luôn có cùng tốc độ, dẫn đến hiệu ứng bus skew. Điều quan trọng là thời Phạm Hùng Kim Khánh Trang 10
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 gian chu kỳ phải dài hơn so với skew để tránh việc những khoảng thời gian được số hoá lại trở thành các đại lượng biến thiên liên tục. 3.3. Bus bất đồng bộ( Asynchronous bus) Bus bất đồng bộ không sử dụng xung clock đồng bộ, chu kỳ của nó có thể kéo dài tuỳ ý và có thể khác nhau đối với các cặp thiết bị khác nhau. Làm việc với các bus đồng bộ dễ dàng hơn do nó được định thời một cách gián đoạn , tuy vậy chính đặc điểm này cũng dẫn đên nhược điểm. Mọi công việc được tiến hành trong khoảng thời gian là bội số của xung clock, nếu 1 thao tác nào đó của vi xử lý hay bộ nhớ hoàn thành trong 3.1 chu kỳ thì nó cũng sẽ phải kéo dài trong 4 chu kỳ. Khi đã chọn chu kỳ bus và đã xây dựng bộ nhớ, I/O card cho bus này thì khó có thể tận dụng những tiến bộ của công nghệ. Chẳng hạn sau khi đã xây bus với sự định thời như trên, công nghệ mới đưa ra các vi xử lý và bộ nhớ có thời gian chu kỳ là 100ns chứ không còn là 750ns như cũ, thì chúng vẫn chạy với tốc độ thấp như các vi xử lý, bộ nhớ loại cũ, bởi vì giao thức bus đòi hỏi bộ nhớ phải đưa được dữ liệu ra và ổn định trước thời điểm cạnh âm của T3. Nếu có nhiều thiết bị khác nhau cùng nối với 1 bus, trong đó có thể có một số thiết bị hoạt động nhanh hơn hơn các thiết bị khác thì cần phải đặt bus hoạt động phù hợp với thiết bị có tốc độ thấp nhất. Bus bất đồng bộ ra đời nhằm khắc phục những nhược điểm của bus đồng bộ. Trước hết master phát ra địa chỉ nhớ mà nó muốn truy cập, sau đó phát tín hiệu MEMR tích cực để xác định cần truy xuất bộ nhớ và yêu cầu quá trình truy xuất là READ để xác định chiều truyền dữ liệu. Tín hiệu MEMR được đưa ra sau tín hiệu địa chỉ một khoảng thời gian phụ thuộc tốc độ hoạt động của master. Sau khi 2 tín hiệu này đã ổn định, master sẽ phát ra tín hiệu MSYN (master synchrization) ở mức tích cực để báo cho slave biết rằng các tín hiệu cần thiết đã sẵn sàng trên bus, slave có thể nhận lấy. Khi slave nhận được tín hiệu này, nó sẽ thực hiện công việc với tốc độ nhanh nhất có thể được, đưa dữ liệu của ô nhớ được yêu cầu lên bus dữ liệu. Khi hoàn thành slave sẽ phát tín hiệu SSYN (slave synchronization) tích cực. Address MEMR (Control) MSYN Data SSYN Hình 1.8 – Định thì chu kỳ bus bất đồng bộ Phạm Hùng Kim Khánh Trang 11
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Master nhận được tín hiệu SSYN tích cực thì xác định được dữ liệu của slave đã sẵn sàng nên thực hiện việc chốt dữ liệu, sau đó đảo các đường địa chỉ cũng như các tín hiệu MEMR và MSYN . Khi slave nhận được tín hiệu MSYN không tích cực, nó xác định kết thúc chu kỳ và đảo tín hiệu SSYN làm bus trở lại trạng thái ban đầu, mọi tín hiệu đều không tích cực, chờ bus master mới. Trên giản đồ thời gian của bus bất đồng bộ, ta sử dụng mũi tên để thể hiện nguyên nhân và kết quả. MSYN tích cực dẫn đến việc truyền dữ liệu ra bus dữ liệu và đồng thời cũng dẫn đến việc slave phát ra tín hiệu SSYN tích cực, đến lượt mình tín hiệu SSYN lại gây ra sự đảo mức của các đường địa chỉ, MEMR và MSYN . Cuối cùng sự đảo mức của MSYN lại gây ra sự đảo mức tín hiệu SSYN và kết thúc chu kỳ. Tập các tín hiệu phối hợp với nhau như vậy được gọi là bắt tay toàn phần (full handshake), chủ yếu gồm 4 tín hiệu sau: - MSYN tích cực. - SSYN tích cực để đáp lại tín hiệu MSYN . - MSYN được đảo để đáp lại tín hiệu SSYN (tích cực). - SSYN được đảo để đáp lại tín hiệu MSYN không tích cực. Ta có thể nhận thấy bắt tay toàn phần là độc lập thời gian, mỗi sự kiện được gây ra bởi 1 sự kiện trước đó chứ không phải bởi xung clock. Nếu 1 cặp master-slave nào đó hoạt động chậm thì cặp master-slave kế tiếp không hề bị ảnh hưởng. Tuy ưu điểm của bus bất đồng bộ rất rõ ràng, nhưng trong thực tế phần lớn các bus đang sử dụng là loại đồng bộ. Nguyên nhân là các hệ thống sử dụng bus đồng bộ dễ thiết kế hơn. Vi xử lý chỉ cần chuyển các mức tín hiệu cần thiết sang trạng thái tích cực là bộ nhớ đáp ứng ngay, không cần tín hiệu phản hồi. Chỉ cần các chọn phù hợp thì mọi hoạt động đều trôi chảy, không cần phải bắt tay. 3.4. Xử lý ngắt Ở trên, ta chỉ khảo sát các chu kỳ bus thông thường, trong đó master nhận hay gởi thông tin từ / đến slave. Một ứng dụng quan trọng nữa của bus là dùng để xử lý ngắt. Khi CPU ra lệnh cho thiết bị I/O làm một việc gì đó, nó thường chờ đợi tín hiệu ngắt do thiết bị I/O phát ra khi hoàn thành công việc được CPU yêu cầu. Khi nhận được tín hiệu ngắt, CPU sẽ đáp ứng ngay, có thể nhận dữ liệu do thiết bị I/O truyền về, hay gởi tiếp dữ liệu ra thiết bị I/O, hay CPU sẽ sử dụng bus cho một thao tác khác . Như vậy chính ngắt phát ra tín hiệu yêu cầu sử dụng bus. Vì có thể nhiều thiết bị ngoại vi cùng phát ra ngắt, cho nên cần có 1 cơ chế phân xử giống như đối với các bus thông thường. Giải pháp thường dùng là gán các mức độ ưu tiên cho các thiết bị và sử dụng 1 arbiter tập trung để trao quyền ưu tiên cho các thiết bị quan trọng thường xuyên được sử dụng. Hiện trên thị trường có những chip điều khiển ngắt được tiêu chuẩn hóa và được sử dụng rộng rãi là chip 8259A. Có thể nối 8 chip điều khiển I/O tới các đầu IRx (Interrupt request) của 8259A. Khi có 1 thiết bị nào đó muốn ngắt, nó đặt mức tích cực lên chân Irx, 8259A nhận được tín hiệu tích cực ở 1 hay một số Phạm Hùng Kim Khánh Trang 12
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 đầu vào Irx thì sẽ đặt mức tích cực lên đầu dây INT. Tín hiệu INT sẽ truyền trực tiếp đến chân Interrupt của CPU. Khi CPU có thể xử lý được ngắt, nó gởi lại 1 tín hiệu chấp nhận ngắt cho 8259A. Lúc này, CPU chờ 8259A chỉ ra I/O nào yêu cầu ngắt, bằng cách gởi số hiệu của I/O đó lên bus dữ liệu (D0-D7) để đi đến CPU. Sau đó, phần cứng CPU sẽ sử dụng con số đó để tính chỉ số trong 1 bảng con trỏ -bảng vector ngắt (interrupt vector) để tìm địa chỉ chương trình con, cho chạy chương trình này để phục vụ ngắt. Các chương trình con này gọi là chương trình con xử lý ngắt. 4. Các chip hỗ trợ cho bộ xử lý trung tâm 4.1. Mạch tạo xung clock 8284 1 18 2 CSYNC VCC 17 3 PCLK X1 16 4 AEN1 X2 15 5 RDY1 ASYNC 14 6 READY EFI 13 7 RD2 F/C 12 8 AEN2 OSC 11 9 CLK RES 10 GND RESET 8284 Hình 1.9 – Mạch tạo xung clock 8284 PCLK (Peripheral Clock): xung clock f = fX/6 (fX là tần số thạch anh) với chu kỳ bổn phận 50%. CSYNC (Clock Synchronisation): ngõ vào xung đồng bộ chung khi hệ thống có các 8284 dùng dao động ngoài tại chân EFI. Khi dùng mạch dao động trong thì phải nối GND. AEN1 , AEN 2 (Address Enable): cho phép chọn các chân tương ứng RDY1, RDY2 báo hiệu trạng thái sẵn sàng của bộ nhớ hay thiết bị ngoại vi. RDY1, RDY2 (Bus ready): kết hợp với AEN1, AEN2 tạo các chu kỳ đợi ở CPU READY: nối đến chân READY của μP. CLK (Clock): xung clock f = fX/3, nối với chân CLK của CPU. RESET: nối với chân RESET của CPU, là tín hiệu khởi động lại toàn hệ thống. RES (Reset Input): chân khởi động cho 8284, được nối với mạch RC để tự khởi động khi bật nguồn. OSC: ngõ ra xung clock có tần số fX. F/C (Frequency / Crystal): chọn nguồn tín hiệu chuẩn cho 8284, nếu ở mức cao thì chọn tần số xung clock bên ngoài, ngược lại thì dùng xung clock từ thạch anh. EFI (External Frequency Input): xung clock từ bộ dao động ngoài. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 13
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 ASYNC : chọn chế độ làm việc cho tín hiệu RDY. Nếu ASYNC = 1, tín hiệu RDY có ảnh hưởng đến tín hiệu READY cho đến khi có xung âm của xung clock. Ngược lại thì RDY chỉ ảnh hưởng khi xuất hiện xung âm. X1,X2: ngõ vào của thạch anh, dùng để tạo xung chuẩn cho hệ thống. 18 1 17 VCC CSYNC 2 16 X1 PCLK 3 15 X2 AEN1 4 14 ASYNC RDY1 5 13 EFI READY 6 12 F/C RD2 7 11 OSC AEN2 8 10 RES CLK 9 RESET GND 8284 Vcc + Hình 1.10 – Mạch khởi động cho 8284 4.2. Mạch định thời PIT – 8253 / 8254 (Programmable Interval Timer) 19 10 20 A0 OUT0 13 A1 OUT1 17 11 OUT2 14 G0 8 G1 D0 16 7 G2 D1 6 9 D2 5 15 CLK0 D3 4 18 CLK1 D4 3 CLK2 D5 2 22 D6 1 23 RD D7 21 WR CS 8253 Hình 1.11 – Sơ đồ chân của PIT 8253 Phạm Hùng Kim Khánh Trang 14
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 OUT0 D7 ÷ D0 Đệm dữ Bộ đếm liệu 0 CLK0 GATE0 RD OUT1 Điều I Bộ đếm WR khiển Ộ 1 CLK1 A1 đọc/ghi GATE1 A0 BUS N CS OUT2 Thanh Bộ đếm ghi từ 2 CLK2 điều GATE2 khiển Hình 1.12 – Sơ đồ khối của PIT 8253 D7 ÷ D0: bus dữ liệu CLK0 ÷ CLK2: ngõ vào xung clock cho các bộ đếm OUT0 ÷ OUT2: ngõ ra bộ đếm RD , WR : cho phép CPU đọc / ghi dữ liệu từ / đến các thanh ghi của 8253 A1, A0: giải mã chọn bộ đếm hay thanh ghi điều khiển, thường được nối với bus địa chỉ của CPU A1 A0 Chọn 0 0 Bộ đếm 0 0 1 Bộ đếm 1 1 0 Bộ đếm 2 1 1 Thanh ghi từ điều khiển G0 ÷ G2 (Gate): cho phép hay cấm các bộ đếm hoạt động ( =1: cho phép, =0: cấm). PIT 8253 có tất cả 5 chế độ đếm tùy thuộc vào giá trị trong thanh ghi điều khiển. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 15
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 SC1 SC0 RW1 RW0 M2 M1 M0 BCD Chọn bộ đếm Định dạng đếm 00: b ộ đếm 0 0: đếm nhị phân 01: b ộ đếm 1 1: đếm BCD (0 ÷ 999) 10: bộ đếm 2 11: đọ c CWR trong 8254 Quy định phương thức Chế độ đếm đọc/ghi 000: chế độ 0 00: ch ốt bộ đếm 001: chế độ 1 01: đọc/ghi byte thấp 010: chế độ 2 10: đọc/ghi byte cao 011: chế độ 3 11: đọ c/ghi byte thấp 100: chế độ 4 trướ c, byte cao sau 101: chế độ 5 Hình 1.13 – Dạng từ điều khiển của 8253 PIT 8253 có 3 bộ đếm lùi 16 bit có thể lập trình và độc lập với nhau. Mỗi bộ đếm có tín hiệu xung clock riêng (8254 tương tự như 8253 nhưng có thêm lệnh đọc thanh ghi từ điều khiển CWR). Các chế độ đếm: Chế độ 0 (Interrupt on Terminal Count): tín hiệu ngõ ra ở mức thấp cho tới khi bộ đếm tràn thì sẽ chuyển lên mức cao. Chế độ 1 (Programmable Monoflop): tín hiệu ngõ ra chuyển xuống mức thấp tại cạnh âm của xung clock đầu tiên và sẽ chuyển lên mức cao khi bộ đếm kết thúc. Chế độ 2 (Rate Generator): tín hiệu ngõ ra xuống mức thấp trong chu kỳ đầu tiên và sau đó chuyển lên mức cao trong các chu kỳ còn lại. Chế độ 3 (Square-Wave Generator): tương tự như chế độ 2 nhưng xung ngõ ra là sóng vuông khi giá trị đếm chẵn và sẽ thêm một chu kỳ ở mức cao khi giá trị đếm lẻ. Chế độ 4 (Software-triggered Pulse): giống như chế độ 2 nhưng xung Gate không khởi động quá trình đếm mà sẽ đếm ngay khi số đếm ban đầu được nạp. Ngõ ra ở mức cao để đếm và xuống mức thấp trong chu kỳ xung đếm. Sau đó, ngõ ra sẽ trở lại mức cao. Chế độ 5 (Hardware-triggered Pulse): giống như chế độ 2 nhưng xung Gate không khởi động quá trình đếm mà được khởi động bằng cạnh dương của xung clock ngõ vào. Ngõ ra ở mức cao và xuống mức thấp sau một chu kỳ clock khi quá trình đếm kết thúc. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 16
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Ba chức năng của 8253 trong PC: Cập nhật đồng hồ hệ thống: bộ đếm 0 của PIT phát tuần hoàn một ngắt cứng qua IRQ0 của 8259 để CPU có thể thay đổi đồng hồ hệ thống. Bộ đếm hoạt động trong chế độ 2. Ngõ vào được cấp xung clock tần số 1.19318 MHz. G0 = 1 để bộ đếm luôn được phép đếm. Giá trị ban đầu được nạp là 0 cho phép PIT phát ra xung chính xác với tần số:1.19318/65536 = 18.206Hz. Cạnh dương của mỗi xung này sẽ tạo ra một ngắt cứng trong 8259. Yêu cầu này sẽ dẫn tới ngắt 08h để cập nhật đồng hổ hệ thống 18.206 lần trong 1 giây. Làm tươi bộ nhớ: PIT nối với chip DMAC dùng làm tươi bộ nhớ DRAM. Bộ đếm 1 sẽ định kỳ kích hoạt kênh 0 của DMAC-8237A để tiến hành 1 chu trình đọc giả làm tươi bộ nhớ. Bộ nhớ 1 hoạt động trong chế độ 3 phát sóng vuông với giá trị nạp ban đầu là 18. Do đó sóng vuông được phát ra có tần số 1,19318 MHz/18 = 66288 Hz (chu kỳ bằng 0.015s). Như vậy cứ sau 15 ms cạnh dương của sóng vuông này sẽ tạo 1 chu kỳ đọc giả để làm tươi bộ nhớ. Phát sóng âm với tần số biến đổi ra loa của PC: Bộ đếm 2 của PIT được dùng để phát sóng âm ra loa của PC. 4.3. Mạch điều khiển bus 8288 Mạch điều khiển bus 8288 lấy một số tín hiệu điều khiển của CPU và cung cấp các tín hiệu điều khiển cần thiết cho hệ vi xử lý. 1 20 2 IOB VCC 19 3 CLK S0 18 4 S1 S2 17 5 DT/R MCE/PDEN 16 6 ALE DEN 15 7 AEN CEN 14 8 MRDC INTA 13 9 AMWC IORC 12 10 MWTC AIOWC 11 GND IOWC 8288 Hình 1.14 – Mạch điều khiển bus 8288 IOB (Input / Output Bus Mode): điều khiển để 8288 làm việc ở các chế độ bus khác nhau. CLK (Clock): ngõ vào lấy từ xung clock hệ thống (từ 8284) và dùng để đồng bộ toàn bộ các xung điều khiển đi ra từ mạch 8288. DT/ R (Data Transmit/Receive): CPU truyền (1) hay nhận (0) dữ liệu. ALE (Address Latch Enable): tín hiệu cho phép chốt địa chỉ, tín hiệu này thường được nối với chân G của 74573 để điếu khiển chốt địa chỉ. AEN (Address Enable): chờ thời gian trễ khoảng 150 ns sẽ tạo các tín hiệu điều khiển ở đầu ra của 8288 để đảm bảo rằng địa chỉ sử dụng đã hợp lệ. S2 , S1 , S0 : các tín hiệu trạng thái lấy trực tiếp từ CPU. Tuỳ theo các giá trị nhận được mà 8288 sẽ đưa các tín hiệu theo bảng: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 17
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 S2 S1 S0 Tạo tín hiệu 0 0 0 INTA 0 0 1 IORC 0 1 0 IOWC, AIOWC 0 1 1 Không 1 0 0 MRDC 1 0 1 MRDC 1 1 0 MWTC, AMWC 1 1 1 Không MRDC (Memory Read Command): điều khiển đọc bộ nhớ MWTC (Memory Write Command): điều khiển ghi bộ nhớ AMWC (Advanced MWTC),: giống như MWTC nhưng hoạt động sớm hơn một chút dùng cho các bộ nhớ chậm đáp ứng kịp tốc độ CPU. IOWC (I/O Write Command): điều khiển ghi ngoại vi AIOWC (Advanced IOWC),: giống như IOWC nhưng hoạt động sớm hơn một chút dùng cho các ngoại vi chậm đáp ứng kịp tốc độ CPU. IORC (I/O Read Command): điều khiển đọc ngoại vi INTA (Interrupt Acknowledge): ngõ ra thông báo CPU chấp nhận yêu cầu ngắt của thiết bị ngoại vi CEN (Command Enable): cho phép đưa ra tín hiệu DEN và các tín hiệu điều khiển khác của 8288. DEN (Data Enable): điều khiển bus dữ liệu thành bus cục bộ hay bus hệ thống. MCE / PDEN (Master Cascade Enable / Peripheral Data Enable): định chế độ làm việc cho mạch điều khiển ngắt PIC 8259 để nó làm việc ở chế độ master. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 18
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 4.4. Chip điều khiển ngắt ưu tiên PIC 8259A (Priority Interrupt Controller) 18 11 IR0 D0 19 10 20 IR1 D1 9 IR2 D2 21 8 22 IR3 D3 7 23 IR4 D4 6 24 IR5 D5 5 25 IR6 D6 4 IR7 D7 27 12 A0 CAS0 13 26 CAS1 15 3 INTA CAS2 2 RD 16 1 WR SP/EN CS 17 INT 8259A Hình 1.15 – Sơ đồ chân của 8259A Trong trường hợp nhiều yêu cầu ngắt cần phải phục vụ, ta thường dùng vi mạch 8259A để giải quyết vấn đề ưu tiên. 8259A có thể giải quyết được 8 yêu cầu ngắt với 8 mức ưu tiên khác nhau. Các khối chức năng: IRR (thanh ghi yêu cầu ngắt): lưu trữ các yêu cầu ngắt tại ngõ vào ISR (thanh ghi phục vụ ngắt): lưu trữ các yêu cầu ngắt đang phục vụ IMR (thanh ghi mặt nạ ngắt): lưu trữ mặt nạ của các yêu cầu ngắt tại ngõ vào Control logic (logic điều khiển): gởi yêu cầu ngắt tới chân INTR của CPU khi có tín hiệu ngắt tại ngõ vào của 8259A và nhận trả lời chấp nhận yêu cầu ngắt hay không INTA từ CPU để đưa kiểu ngắt vào CPU. Data bus buffer (đệm bus dữ liệu): giao tiếp giữa 8259A với bus dữ liệu của CPU. Cascade buffer / comparator (đệm nối tầng và so sánh): lưu trữ và so sánh số hiệu của các kiểu ngắt trong trường hợp dùng nhiều mạch 8259A. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 19
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 INTA INT Data bus buffer Control logic ISR PR IRR RD Read / IR0 (Interrupt (Priority (Interrupt WR Write Service Resolver) Request IR1 A0 Logic Register) Register) IR7 CS CAS0 Cascade INTERNAL BUS CAS1 buffer / IMR (Interrupt Mask Register) CAS2 comparator SP / EN Hình 1.16 – Sơ đồ khối của PIC 8259A Các tín hiệu điều khiển: CAS0 ÷ 2 (In, Out): các ngõ vào chọn mạch 8259A tớ (slave) từ mạch 8259A chủ (master) trong trường hợp dùng nhiều mạch 8259A để tăng yêu cầu ngắt. SP / EN (In, Out) (Slave Program / Enable Buffer): nếu 8259A hoạt động ở chế độ không dùng đệm dữ liệu thì tín hiệu này dùng để xác định mạch 8259A là mạch chủ (SP = 1) hay tớ (SP = 0). Nếu 8259A hoạt động ở chế độ có đệm dữ liệu thì tín hiệu này dùng để cho phép giao tiếp giữa 8259A và CPU, khi đó mạch 8259A là master hay slave phải dựa vào từ lệnh khởi động ICW4. INT (Out): tín hiệu yêu cầu ngắt đưa đến CPU (chân INTR). INTA (In): nhận trả lời chấp nhận ngắt hay không từ CPU (chân INTA ) A0: cho phép chọn các từ điều khiển của 8259A. 8259A cho phép xử lý 8 ngắt với 8 mức ưu tiên khác nhau. Trong trường hợp hệ thống có số lượng ngắt lớn hơn thì có thể mắc nhiều 8259A liên tầng. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 20
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 18 11 18 11 1 40 19 IR0 D0 10 19 IR0 D0 10 2 GND VCC 39 20 IR1 D1 9 20 IR1 D1 9 3 AD14 AD15 38 21 IR2 D2 8 21 IR2 D2 8 4 AD13 A16/S3 37 22 IR3 D3 7 22 IR3 D3 7 5 AD12 A17/S4 36 23 IR4 D4 6 23 IR4 D4 6 6 AD11 A18/S5 35 24 IR5 D5 5 24 IR5 D5 5 7 AD10 A19/S6 34 25 IR6 D6 4 25 IR6 D6 4 8 AD9 BHE/S7 33 IR7 D7 IR7 D7 9 AD8 MN/MX 32 27 27 10 AD7 RD 31 A0 1 A0 1 11 AD6 HOLD (RQ/GT0) 30 CS 3 CS 3 12 AD5 HLDA (RQ/GT1) 29 RD 2 RD 2 Vcc 13 AD4 WR (LOCK) 28 12 WR 16 12 WR 16 14 AD3 IO/M (S2) 27 13 CAS0 SP/EN 17 13 CAS0 SP/EN 17 15 AD2 DT/R (S1) 26 15 CAS1 INT 26 15 CAS1 INT 26 16 AD1 DEN (S0) 25 CAS2 INTA CAS2 INTA 17 AD0 ALE (QS0) 24 8259A - Slave 8259A - Master 18 NMI INTA (QS1) 23 19 INTR TEST 22 20 CLK READY 21 GND RESET 8086 Hình 1.17 – 8259A mắc liên tầng 4.5. Chip điều khiển truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMAC 8237 (Direct Memory Access Controller) DMAC 8237 có thể thực hiện truyền dữ liệu theo 3 kiểu: kiểu đọc (từ bộ nhớ ra thiết bị ngoại vi), kiểu ghi (từ thiết bị ngoại vi đến bộ nhớ) và kiểu kiểm tra. 32 30 33 A0 DB0 29 34 A1 DB1 28 35 A2 DB2 27 37 A3 DB3 26 38 A4 DB4 23 39 A5 DB5 22 40 A6 DB6 21 A7 DB7 12 25 CLK DAK0 24 19 DAK1 14 18 DRQ0 DAK2 15 17 DRQ1 DAK3 16 DRQ2 3 DRQ3 MEMR 4 36 MEMW 7 EOP 9 1 HLDA AEN 8 2 IOR ASTB 10 6 IOW HRQ 13 READY 5 RESET 11 VX CS 8237 Phạm Hùng Kim Khánh Trang 21
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 EOP Decrementor Incrementor A0 – A3 I/O buffer RESET Temp word Temp address count register register CS Bus 16 bit READY A4 – A7 Output buffer CLK Timing and control Read buffer R/W buffer AEN Base Base word Current Current ADSTB address count address word count Command MEMW control MEMR Write buffer Read buffer IOW IOR A8 – A15 D0 – D1 DB0 – DB7 DRQ0 – DRQ3 Command RD I/O buffer Priority encoder DACK0 – DACK3 and rotating Mask prority logic HLDA R/W Status Temp Request Mode HRQ Hình 1.18 – Sơ đồ chân và sơ đồ khối của DMAC 8237A Khối Timing and Control (định thời và điều khiển): Tạo các tín hiệu định thời và điều khiển cho bus ngoài (external bus). Các tín hiệu này được đồng bộ với xung clock đưa vào DMAC (tần số xung clock tối đa là 5 MHz). Khối Priority encoder and rotating priority logic (mã hóa ưu tiên và quay mức ưu tiên): DMAC 8237A có 2 mô hình ưu tiên: mô hình ưu tiên cố định (fixed priority) và mô hình ưu tiên quay (rotating priority). Trong mô hình ưu tiên cố định, kênh 0 sẽ có mức ưu tiên cao nhất còn kênh 3 có mức ưu tiên thấp nhất. Còn đối với mô hình ưu tiên quay thì mức ưu tiên khi khởi động giống như mô hình ưu tiên cố định nhưng khi yêu cầu DMA tại một kênh nào đó được phục vụ thì sẽ được đặt xuống mức ưu tiên thấp nhất. Khối Command Control (điều khiển lệnh): Giải mã các thanh ghi lệnh (xác định thanh ghi sẽ được truy xuất và loại hoạt động cần thực hiện). Phạm Hùng Kim Khánh Trang 22
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Các thanh ghi: DMAC 8237A có tất cả 12 loại thanh ghi nội khác nhau: Tên Kích thước (bit) Số lượng Thanh ghi địa chỉ cơ sở (Base Address Register) 16 4 Thanh ghi đếm từ cơ sở (Base Word Count Register) 16 4 Thanh ghi địa chỉ hiện hành (Current Address Register) 16 4 Thanh ghi đếm từ hiện hành (Current Word Count Register) 16 4 Thanh ghi địa chỉ tạm (Temporary Address Register) 16 1 Thanh ghi đếm từ tạm (Temporary Word Count Register) 16 1 Thanh ghi trạng thái (Status Register) 8 1 Thanh ghi lệnh (Command Register) 8 1 Thanh ghi tạm (Temporary Register) 8 1 Thanh ghi chế độ (Mode Register) 6 4 Thanh ghi mặt nạ (Mask Register) 4 1 Thanh ghi yêu cầu (Request Register) 4 1 Chức năng các chân của 8237A: CLK (Input): tín hiệu xung clock của mạch. Tín hiệu này thường được lấy từ 8284 sau khi qua cổng đảo. CS (Input): thường được nối với bộ giải mã địa chỉ. RESET (Input): khởi động 8237A, được nối với ngõ RESET của 8284. Khi Reset thì thanh ghi mặt nạ được lập còn các phần sau bị xóa: + Thanh ghi lệnh + Thanh ghi trạng thái + Thanh ghi yêu cầu + Thanh ghi tạm + Flip-flop đầu/cuối (First/Last flip-flop) READY (Input): nối với READY của CPU để tạo chu kỳ đợi khi truy xuất các thiết bị ngoại vi hay bộ nhớ chậm. HLDA (Hold Acknowledge)(Input): tín hiệu chấp nhận yêu cầu treo từ CPU DRQ0 – DRQ3 (DMA Request)(Input): các tín hiệu yêu cầu treo từ thiết bị ngoại vi. DB0 – DB7 (Input, Output): nối đến bus địa chỉ và dữ liệu của CPU Phạm Hùng Kim Khánh Trang 23
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 IOR , IOW (Input, Output): sử dụng trong các chu kỳ đọc và ghi EOP (End Of Process)(Input,Output): bắt buộc DMAC kết thúc quá trình DMA nếu là ngõ vào hay dùng để báo cho một kênh biết là dữ liệu đã chuyển xong (Terminal count – TC), thường dùng như yêu cầu ngắt để CPU kết thúc quá trình DMA. A0 – A3 (Input, Output): chọn các thanh ghi trong 8237A khi lập trình hay dùng để chứa 4 bit địa chỉ thấp. A4 – A7 (Output): chứa 4 bit địa chỉ HRQ (Hold Request)(Output): tín hiệu yêu cầu treo đến CPU DACK0 – DACK3 (DMA Acknowledge)(Output): tín hiệu trả lời yêu cầu DMA cho các kênh. AEN (Output): cho phép lấy địa chỉ vùng nhớ cần trao đổi ADSTB (Address Strobe)(Output): chốt các bit địa chỉ cao A8 – A15 chứa trong các chân DB0 – DB7 MEMR , MEMW (Output): dùng để đọc / ghi bộ nhớ. Các thanh ghi nội: Các thanh ghi nội trong DMAC 8237A được truy xuất nhờ các bit địa chỉ thấp A0 – A3. Bit địa chỉ Địa Chọn chức năng R/W? A3 A2 A1 A0 chỉ 0 0 0 0 X0 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ kênh 0 R/W 0 0 0 1 X1 Thanh ghi đếm từ kênh 0 R/W 0 0 1 0 X2 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ kênh 1 R/W 0 0 1 1 X3 Thanh ghi đếm từ kênh 1 R/W 0 1 0 0 X4 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ kênh 2 R/W 0 1 0 1 X5 Thanh ghi đếm từ kênh 2 R/W 0 1 1 0 X6 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ kênh 3 R/W 0 1 1 1 X7 Thanh ghi đếm từ kênh 3 R/W 1 0 0 0 X8 Thanh ghi trạng thái / lệnh R/W 1 0 0 1 X9 Thanh ghi yêu cầu W 1 0 1 0 XA Thanh ghi mặt nạ cho một kênh W 1 0 1 1 XB Thanh ghi chế độ W 1 1 0 0 XC Xóa flip-flop đầu/cuối W 1 1 0 1 XD Xóa toàn bộ các thanh ghi / đọc thanh ghi tạm W/R 1 1 1 0 XE Xóa thanh ghi mặt nạ W 1 1 1 1 XF Thanh ghi mặt nạ W Phạm Hùng Kim Khánh Trang 24
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Địa chỉ các thanh ghi nội dùng ghi / đọc địa chỉ: Kênh IOR IOW A3 A2 A1 A0 Thanh ghi R/W? 0 1 0 0 0 0 0 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành W 0 1 0 0 0 0 Địa chỉ hiện hành R 1 0 0 0 0 1 Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành W 0 1 0 0 0 1 Bộ đếm hiện hành R 1 1 0 0 0 1 0 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành W 0 1 0 0 1 0 Địa chỉ hiện hành R 1 0 0 0 1 1 Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành W 0 1 0 0 1 1 Bộ đếm hiện hành R 2 1 0 0 1 0 0 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành W 0 1 0 1 0 0 Địa chỉ hiện hành R 1 0 0 1 0 1 Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành W 0 1 0 1 0 1 Bộ đếm hiện hành R 3 1 0 0 1 1 0 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành W 0 1 0 1 1 0 Địa chỉ hiện hành R 1 0 0 1 1 1 Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành W 0 1 0 1 1 1 Bộ đếm hiện hành R Địa chỉ các thanh ghi trạng thái và điều khiển: IOR ` IOW A3 A2 A1 A0 Thanh ghi 1 0 1 0 0 0 Ghi thanh ghi lệnh 0 1 1 0 0 0 Đọc thanh ghi trạng thái 1 0 1 0 0 1 Ghi thanh ghi yêu cầu 1 0 1 0 1 0 Ghi thanh ghi mặt nạ 1 0 1 0 1 1 Ghi thanh ghi chế độ 1 0 1 1 0 0 Xóa flip-flop đầu/cuối 1 0 1 1 0 1 Xóa tất cả các thanh ghi nội 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành 0 1 1 1 1 0 Địa chỉ hiện hành 1 0 1 1 1 1 Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành 0 1 1 1 1 1 Bộ đếm hiện hành Mạch 8273A-5 chứa 4 kênh trao đổi dữ liệu DMA với mức ưu tiên lập trình được. 8237A-5 có tốc độ truyền 1 MBps cho mỗi kênh và 1 kênh có thể truyền 1 mảng có độ dài 64 KB. Để có thể sử dụng mạch DMAC 8237A, ta cần tạo tín hiệu điều khiển như sau: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 25
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Vcc 2 4 1A 1Y IOR 3 5 1B 7 6 2A 2Y IOW 11 2B 9 RD 10 3A 3Y MEMR 14 3B 12 WR 13 4A 4Y 4B MEMW AEN 15 1 G A/B IO/ M 74LS257 Hình 1.19 – Tín hiệu điều khiển cho hệ thống làm việc với DMAC 8237A Tín hiệu AEN từ 8237A dùng để cấm các tín hiệu điều khiển từ CPU khi DMAC đã nắm quyền điều khiển bus. 4.6. Chip điều khiển màn hình CRTC 6845 (Cathode Ray Tube Controller) RST (Reset): khởi động lại 6845. MA0 ÷ MA13 (Memory Address): 14 địa chỉ nhớ cho RAM màn hình. DE (Display Enable): cho phép (=1) hay không (=0) các tín hiệu điều khiển và địa chỉ vùng hiện lên màn hình. LPSTD (Light Pen Strobe): lưu trữ địa chỉ hiện hành của RAM màn hình trong thanh ghi bút sáng. CPU đọc thanh ghi và xác định vị trí bút sáng trên màn hình. CURSOR: vị trí con trỏ đã quét (=1) hay chưa (=0). 33 4 32 D0 MA0 5 31 D1 MA1 6 30 D2 MA2 7 29 D3 MA3 8 28 D4 MA4 9 27 D5 MA5 10 26 D6 MA6 11 D7 MA7 12 21 MA8 13 CLK MA9 14 23 MA10 15 3 E MA11 16 2 LPSTD MA12 17 24 RST MA13 22 RS 38 25 R/W RA0 37 CS RA1 36 RA2 35 RA3 34 RA4 19 CURSOR 18 DE 39 HS 40 VS 6845 Hình 1.20 – Sơ đồ chân của 6845 Phạm Hùng Kim Khánh Trang 26
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 VS (Vertical Synchronization): ngõ ra tín hiệu đồng bộ quét dọc HS (Horizontal Synchronization): ngõ ra tín hiệu đồng bộ quét ngang RA0 ÷RA4 (Row Address): phân định hàng quét của ký tự trong chế độ văn bản (32 hàng quét). Trong chế độ đồ họa, chúng kết hợp với MA0 ÷ MA13 tạo các địa chỉ cho các bank RAM màn hình. D0 ÷ D7: đường dữ liệu. CS : chọn chip. RS (Regigter Select): chọn thanh ghi địa chỉ (=0) hay thanh ghi dữ liệu (=1). E: xung âm kích hoạt bus dữ liệu và dùng như xung clock cho 6845 đọc / ghi dữ liệu vào các thanh ghi bên trong. R/W : đọc / ghi dữ liệu vào các thanh ghi. CLK: dùng đồng bộ với tín hiệu của màn hình và thường bằng tốc độ hiện ký tự trên màn hình. 4.7. Chip đồng xử lý toán học 8087/80287/80387 (Mathematical co-processor) Các bộ đồng xử lý toán 80x87 hỗ trợ CPU trong việc tính toán các biểu thức dùng dấu chấm động như cộng, trừ, nhân, chia các số dấu chấm động, căn thức, logarit, Chúng cho phép xử lý các phép toán này nhanh hơn nhiều so với CPU. Thời gian xử lý giữa 8087 và 8086 như sau (dùng xung clock 8 MHz): Phép toán 8087 [μs] 8086 [μs] Cộng / trừ 10.6 1000 Nhân 11.9 1000 Chia 24.4 2000 Căn bậc hai 22.5 12250 Tang 56.3 8125 Lũy thừa 62.5 10680 Lưu trữ 13.1 750 8087: 8087 gồm một đơn vị điều khiển (CU – Control Unit) dùng để điều khiển bus và một đơn vị số học (NU – Numerical Unit) để thực hiện các phép toán dấu chấm động trong các mạch tính lũy thừa (exponent module) và mạch tính phần định trị (mantissa module). Khác với 8086, thay vì dùng các thanh ghi rời rạc là một ngăn xếp thanh ghi. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 27
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Đơn vị điều khiển nhận và giải mã lệnh, dọc và ghi các toán hạng, chạy các lệnh điều khiển riêng của 8087. Do đó, CU có thể đồng bộ với CPU trong khi NU đang thực hiện các công việc tính toán. CU bao gồm bộ điều khiển bus, bộ đệm dữ liệu và hàng lệnh. CU - Control Unit NU - Numerical Unit Từ điều khiển Bộ điều Module lũy Module khiển số thừa định trị Từ trạng thái Bus dữ liệu Đệm dữ liệu Từ thẻ Thanh ghi Địa chỉ tr ạng thái Điều khiển bus ngăn xếp Hình 1.21 – Sơ đồ khối của 8087 16 8 16 8 15 AD0 AD8 7 15 AD0 AD8 7 14 AD1 AD9 6 14 AD1 AD9 6 13 AD2 AD10 5 13 AD2 AD10 5 12 AD3 AD11 4 12 AD3 AD11 4 11 AD4 AD12 3 11 AD4 AD12 3 10 AD5 AD13 2 10 AD5 AD13 2 9 AD6 AD14 39 9 AD6 AD14 39 CLK (8284) AD7 AD15 AD7 AD15 19 38 19 38 INT (8259) CLK A16/S3 37 CLK A16/S3 37 23 A17/S4 36 18 A17/S4 36 25 BUSY A18/S5 35 33 INTR A18/S5 35 24 QS0 A19/S6 17 MX A19/S6 22 QS1 26 22 NMI 26 31 READY S0 27 31 READY S0 27 33 RQ/GT0 S1 28 30 RQ/GT0 S1 28 IRx (8259) 21 RQ/GT1 S2 21 RQ/GT1 S2 RST 32 23 RST 34 34 INT TEST BHE/S7 29 BHE/S7 LOCK 25 QS0 24 8087 QS1 32 RD 8086 Hình 1.22 – Sơ đồ kết nối 8087 và CPU 8086 Phạm Hùng Kim Khánh Trang 28
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Ngăn xếp thanh ghi có tất cả 8 thanh ghi từ R0 ÷ R7, mỗi thanh ghi dài 80 bit trong đó bit 79 là bit dấu, bit 64 ÷ 78 dùng cho số mũ và phần còn lại là phần định trị. Dữ liệu truyền giữa các thanh ghi này được thực hiện rất nhanh do 8087 có độ rộng bus dữ liệu là 84 bit và không cần phải biến đổi định dạng. Ngay sau khi reset PC, bộ đồng xử lý kiểm tra xem nó có được nối với PC hay không bằng các đường BHE /S7. 8087 sẽ điều chỉnh độ dài của hàng lệnh cho phù hợp với CPU (nếu dùng 8086 thì độ dài là 6 byte). 8087 có một thanh ghi trạng thái là thanh ghi từ thẻ (tag word) gồm các cặp bit Tag0 ÷ Tag7 để lưu trữ các thông tin liên quan đến nội dung của các thanh ghi R0 ÷ R7 để cho phép thực hiện một số tác vụ nhanh hơn. Mỗi thanh ghi từ thẻ có 2 bit xác định 4 giá trị khác nhau của các thanh ghi Ri. Tag = 00: xác định Tag = 01: zero Tag = 10: NAN, giá trị bất thường Tag = 11: rỗng 80287: S0 S1 36 34 38 D0 A0 33 15 10 40 D1 A1 32 16 S0 CLK 13 42 D2 A2 28 S1 PCLK 44 D3 A3 27 7 4 2 23 46 D4 A4 26 S0 8 X1 READY 12 1 S0 D0 22 48 D5 A5 25 S1 X2 RESET S1 D1 21 50 D6 A6 24 1 32 D2 20 37 D7 A7 23 17 ARDY 37 CLK D3 19 39 D8 A8 22 5 AYEN CLK286 D4 18 41 D9 A9 21 6 EFI 29 D5 17 43 D10 A10 20 11 F/C 31 CMD0 D6 16 45 D11 A11 19 2 RES 3 CMD1 D7 15 47 D12 A12 18 3 SRDY 39 COD/INTA D8 14 49 D13 A13 17 SYEN 38 CKM D9 12 51 D14 A14 16 34 HLDA D10 11 D15 A15 15 82284 33 NPS1 D11 8 52 A16 14 27 NPS2 D12 7 CAP A17 13 28 NPRD D13 6 31 A18 12 19 13 36 NPWR D14 5 CLK A19 11 S0 3 S0 82288 INTA 12 40 PEACK D15 54 A20 10 S1 S1 IORC 11 35 READY 26 53 BUSY A21 8 18 IOWC RESET ERROR 25 64 ERROR A22 7 M/IO 8 BUSY 24 57 HOLD A23 2 MRDC 9 PEREQ 59 INTR 1 CLK MWTC 61 NMI BHE 66 15 5 80287 63 PEREQ COD/INTA 65 14 CEN/AEN ALE 16 29 READY HLDA 68 7 CENL DEN 17 RST LOCK 67 6 CMDLY DT/R 4 M/IO 6 1 MB MCE PEACK 5 S0 READY S0 4 S1 S1 80286 15 10 16 S0 CLK 13 S1 PCLK 7 4 8 X1 READY 12 X2 RESET 1 17 ARDY 5 AYEN 6 EFI 11 F/C 2 RES 3 SRDY SYEN Hình 1.23 – Sơ đồ kết nối giữa 80286 và 80287 82284 Phạm Hùng Kim Khánh Trang 29
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Do 80286 có chế độ mạch bảo vệ nên mạch ghép nối giữa 80286 và 80287 được thiết kế khác 8087 ở đơn vị điều khiển CU. Bộ đồng xử lý ở đây không thực hiện truy xuất bộ nhớ trực tiếp. Để truy xuất được bộ nhớ, 80287 không những cần một đơc vị định địa chỉ đơn giản của nó mà còn phải được tăng cường thêm chức năng quản lý bộ nhớ của 80286. Cấu trúc bên trong của 80287 cũng tương tự như 8087, chỉ có đơn vị bus thay đổi cho phù hợp với 80286. Khác vơi 8087, 80287 hoạt động không đồng bộ với CPU nên có thể dùng xung clock riêng. 80387: Ưu điểm của 80387 so với 80287 là có thể thực hiện các phép toán số học nhanh hơn. No có bus dữ liệu 32 bit như CPU và sử dụng công nghệ CMOS nên công suất tiêu thụ thấp hơn. 5. Bộ thanh ghi μP 8086/8088 có tất cả 14 thanh ghi nội. Các thanh ghi này có thể phân loại như sau: - Thanh ghi dữ liệu (data register) - Thanh ghi chỉ số và con trỏ (index & pointer register) - Thanh ghi đoạn (segment register) - Thanh ghi trạng thái và điều khiển (status & control register) 5.1. Các thanh ghi dữ liệu Các thanh ghi dữ liệu gồm có các thanh ghi 16 bit AX, BX, CX và DX trong đó nửa cao và nửa thấp của mỗi thanh ghi có thể định địa chỉ một cách độc lập. Các nửa thanh ghi này (8 bit) có tên là AH và AL, BH và BL, CH và CL, DH và DL. Các thanh ghi này được sử dụng trong các phép toán số học và logic hay trong quá trình chuyển dữ liệu. Bảng 2.8: Thanh ghi Sử dụng trong AX MUL, IMUL (toán hạng nguồn kích thước word) DIV, IDIV (toán hạng nguồn kích thước word) IN (nhập word) OUT (xuất word) CWD Các phép toán xử lý chuỗi (string) AL MUL, IMUL (toán hạng nguồn kích thước byte) DIV, IDIV (toán hạng nguồn kích thước byte) IN (nhập byte) OUT (xuất byte) XLAT AAA, AAD, AAM, AAS (các phép toán ASCII) CBW (đổi sang word) Phạm Hùng Kim Khánh Trang 30
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 DAA, DAS (số thập phân) Các phép toán xử lý chuỗi (string) AH MUL, IMUL (toán hạng nguồn kích thước byte) DIV, IDIV (toán hạng nguồn kích thước byte) CBW (đổi sang word) BX XLAT CX LOOP, LOOPE, LOOPNE Các phép toán string với tiếp dầu ngữ REP CL RCR, RCL, ROR, ROL (quay với số đếm byte) SHR, SAR, SAL (dịch với số đếm byte) DX MUL, IMUL (toán hạng nguồn kích thước word) DIV, IDIV (toán hạng nguồn kích thước word) AX (ACC – Accumulator): thanh ghi tích luỹ BX (Base): thanh ghi cơ sở CX (Count): đếm DX (Data): thanh ghi dữ liệu 5.2. Các thanh ghi chỉ số và con trỏ Bao gồm các thanh ghi 16 bit SP, BP, SI và DI, thường chứa các giá trị offset (độ lệch) cho các phần tử định địa chỉ trong một phân đoạn (segment). Chúng có thể được sử dụng trong các phép toán số học và logic. Hai thanh ghi con trỏ (SP – Stack Pointer và BP – Base Pointer) cho phép truy xuất dễ dàng đến các phần tử đang ở trong ngăn xếp (stack) hiện hành. Các thanh ghi chỉ số (SI – Source Index và DI – Destination Index) được dùng để truy xuất các phần tử trong các đoạn dữ liệu và doạn thêm (extra segment). Thông thường, các thanh ghi con trỏ liên hệ đến đoạn stack hiện hành và các thanh ghi chỉ số liên hệ đến doạn dữ liệu hiện hành. SI và DI dùng trong các phép toán chuỗi. 5.3. Các thanh ghi đoạn Bao gồm các thanh ghi 16 bit CS (Code segment), DS (Data segment), SS (stack segment) và ES (extra segment), dùng để định địa chỉ vùng nhớ 1 MB bằng cách chia thành 16 đoạn 64 KB. Tất cả các lệnh phải ở trong đoạn mã hiện hành, được định địa chỉ thông qua thanh ghi CS. Offset (độ lệch) của mã được xác định bằng thanh ghi IP. Dữ liệu chương trình thường được đặt ở đoạn dữ liệu, định vị thông qua thanh ghi DS. Stack định vị thông qua thanh ghi SS. Thanh ghi đoạn thêm có thể sử dụng để định địa chỉ các toán hạng, dữ liệu, bộ nhớ và các phần tử khác ngoài đoạn dữ liệu và stack hiện hành. 5.4. Các thanh ghi điều khiển và trạng thái Thanh ghi con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer) giống như bộ đếm chương trình (Program Counter). Thanh ghi điều khiển này do BIU quản lý nhằm lưu trữ offset từ bắt đầu đoạn mã đến lệnh thực thi kế tiếp. Ta không thể xử lý trực tiếp trên thanh ghi IP. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 31
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 1 Thanh ghi cờ (Flag register) hay từ trạng thái 16 bit chứa 3 bit điều khiển (TF, IF và DF) và 6 bit trạng thái (OF, SF, ZF, AF, PF và CF) còn các bit còn lại mà 8086/8088 không sử dụng thì không thể truy xuất được. 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 X X X X OF DF IF TF SF ZF X AF X PF X CF - OF (Overflow - tràn): OF = 1 xác định tràn số học, xảy ra khi kết quả vượt ra ngoài phạm vi biểu diễn - DF (Direction- hướng): xác định hướng chuyển string, DF = 1 khi μP làm việc với string theo thứ tự từ phải sang trái. - IF (Interrupt - ngắt): cho phép hay cấm các interrupt có mặt nạ - TF (Trap - bẫy): đặt μP vào chế độ từng bước, dùng cho các chương trình gỡ rối (debugger). - SF (Sign - dấu): dùng để chỉ các kết quả số học là số dương (SF = 0) hay âm (SF = 1). - ZF (Zero): = 1 nếu kết quả của phép toán trước là 0. - AF (Auxiliary – nhớ phụ): dùng trong các số thập phân để chỉ nhớ từ nửa byte thấp hay mượn từ nửa byte cao. - PF (Parity): PF = 1 nếu kết quả của phép toán là có tổng số bit 1 là chẵn (dùng để kiểm tra lỗi truyền dữ liệu) - CF (Carry): CF = 1 nếu có nhớ hay mượn từ bit cao nhất của kết quả. Cờ này cũng dùng cho các lệnh quay. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 32
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 Chương 2 NGẮT VÀ SỰ KIỆN 1. Khái niệm Ngắt (interrupt) là quá trình dừng chương trình chính đang chạy để ưu tiên thực hiện một chương trình khác, chương trình này được gọi là chương trình phục vụ ngắt (ISR – Interrupt Service Routine). ISR hoàn toàn giống với một chương trình bình thường trên máy tính, nghĩa là nó có khả năng truy xuất đến tất cả các lệnh ngôn ngữ máy của µP. Tuy nhiên cuối ISR sẽ kết thúc bằng lệnh IRET (Interrupt Return) để µP tiếp tục thực hiện lệnh đã kết thúc trước đây. Các nguyên nhân dẫn đến ngắt là: - Bản thân chương trình đang thực hiện bị lỗi, ví dụ như: chia cho 0, - Do tác động của thiết bị ngoại vi, ví dụ như: thực hiện lệnh in nhưng máy in lỗi, ghi dữ liệu vào đĩa nhưng không có đĩa, - Do lập trình viên chủ động gọi các ngắt có sẵn. Một cách đơn giản, chúng ta có thể xem ngắt như là quá trình gọi chương trình con nhưng các chương trình con này được tạo ra sẵn trong máy tính và quá trình gọi này có thể xảy ra tại thời điểm không xác định trước. Sự kiện (Event) là một tác động lên một đối tượng trong môi trường Windows. Khi có một sự kiện xảy ra, Windows sẽ gởi thông điệp (message) đến đối tượng. Các sự kiện thường xảy ra là: - Sự kiện chuột: Click, Double Click, - Sự kiện bàn phím: nhấn phím, nhả phím, - Sự kiện cửa sổ: Activate, Load, Unload, 2. Các loại ngắt và bảng vector ngắt Quá trình ngắt có thể mô tả như sau: Chương trình chính ISR Lưu trữ các thanh ghi cần thiết Khôi phục các thanh ghi Quay về chương trình chính (IRET) Hình 2.1 – Quá trình thực hiện ngắt Phạm Hùng Kim Khánh Trang 34
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 Trong các quá trình ngắt, ta phân biệt thành 2 loại: ngắt cứng và ngắt mềm. Ngắt mềm là ngắt được gọi bằng một lệnh trong chương trình ngôn ngữ máy. Ngắt mềm được thục hiện trên hợp ngữ thông qua lệnh INT. Đối với các ngôn ngữ bậc cao hơn, vẫn cho phép thực hiện gọi ngắt nhưng phải được biên dịch thành lệnh INT trong hợp ngữ rồi mời thực hiện. Khác với ngắt mềm, ngắt cứng không được khởi động bên trong máy tính mà do các linh kiện điện tử tác đông lên hệ thống. Ngắt cứng cũng được chia thành 2 loại: ngắt che được và ngắt không che được. Ngắt che được là ngắt có thể cho phép hay không cho phép thực thi bằng phần mềm thông qua cờ ngắt IF (Interrupt Flag): lệnh CLI (Clear Interrupt Flag) sẽ cấm ngắt và lệnh STI (Set Interrupt Flag) sẽ cho phép các ngắt này hoạt động. Các loại ngắt khác nhau có thể mô tả như sau: Ngắt Ngắt mềm Ngắt cứng Ngắt hệ thống Ngắt do người Trong Ngoài sử dụng HĐH BIOS Che được Không che được Hình 2.2 – Các loại ngắt Khi thực hiện lệnh gọi một ngắt nào đó, chương trình con phục vụ cho ngắt sẽ được gọi. Để thực hiện các ngắt tương ứng, địa chỉ thực hiện các chương trình con phục vụ ngắt được đặt trong một bảng, gọi là bảng vector ngắt. Bảng vector ngắt gồm có 256 phần tử, mỗi phần tử gồm 4 byte ứng với 256 ngắt (từ ngắt 0 đến ngắt 0FFh). Mỗi phần tử trong bảng vector ngắt chứa 2 địa chỉ: địa chỉ thanh ghi đoạn đưa vào CS và địa chỉ offset của chương trình phục vụ ngắt đưa vào IP. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 35
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 Bảng vector ngắt có thể mô tả như sau: Địa chỉ Địa chỉ ISR Số thứ tự ngắt 0000h:0000h CS 0 0000h:0002h IP 0000h:0004h CS 1 0000h:0006h IP 0000h:0008h CS 2 0000h:000Ah IP 0000h:03FCh CS 255 0000h:03FEh IP Khi có một quá trình ngắt xảy ra, CPU sẽ tìm địa chỉ bắt đầu của chương trình ngắt được chứa trong bảng vector ngắt theo số thự tự ngắt. Do một phần tử trong bảng vector ngắt chiếm 4 byte nên để tìm giá trị địa chỉ trong bảng vector ngắt, ta chỉ cần nhân số thứ tự ngắt với 4. Danh sách các ngắt mô tả như sau: STT Địa chỉ Chức năng 00h 0000h – 0003h CPU: chia cho 0 01h 0004h – 0007h CPU: thực hiện từng lệnh 02h 0008h – 000Bh CPU: Lỗi RAM 03h 000Ch – 000Fh CPU: thực hiện đến điểm dừng 04h 0010h – 0013h CPU: tràn số 05h 0014h – 0017h In trang màn hình (Print Screen) 06h, 07h 0018h – 001Fh Dành riêng 08h 0020h – 0023h IRQ0: ngắt đồng hồ (18.2 lần / giây) 09h 0024h – 0027h IRQ1: ngắt bàn phím 0Ah 0028h – 002Bh IRQ2: Dành riêng 0Bh 002Ch – 002Fh IRQ3: Giao tiếp nối tiếp 1 0Ch 0030h – 0033h IRQ4: Giao tiếp nối tiếp 2 0Dh 0034h – 0037h IRQ5: Đĩa cứng Phạm Hùng Kim Khánh Trang 36
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 0Eh 0038h – 003Bh IRQ6: Đĩa mềm 0Fh 003Ch – 003Fh IRQ7: Máy in 10h 0040h – 0043h BIOS: màn hình 11h 0044h – 0047h BIOS: xác định cấu hình máy tính 12h 0048h – 004Bh BIOS: xác định kích thước RAM 13h 004Ch – 004Fh BIOS: truy nhập đĩa cứng / đĩa mềm 14h 0050h – 0053h BIOS: truy nhập giao tiếp nối tiếp 15h 0054h – 0057h BIOS: truy nhập cassette hay mở rộng ngắt 16h 0058h – 005Bh BIOS: kiểm tra bàn phím 17h 005Ch – 005Fh BIOS: truy nhập máy in 18h 0060h – 0063h Chương trình xâm nhập ROM BASIC 19h 0064h – 0067h BIOS: khởi động hệ thống (khi nhấn Ctrl-Alt-Del) 1Ah 0068h – 006Bh BIOS: đọc / ghi ngày / giờ 1Bh 006Ch – 006Fh Nhấn phím Break 1Ch 0070h – 0073h Gọi sau INT 08h 1Dh 0074h – 0077h Địa chỉ bảng tham số màn hình 1Eh 0078h – 007Bh Địa chỉ bảng tham số đĩa mềm 1Fh 007Ch – 007Fh Địa chỉ bảng font có ký tự mở rộng 20h 0080h – 0083h DOS: kết thúc chương trình 21h 0084h – 0087h DOS: gọi các hàm của DOS 22h 0088h – 008Bh Địa chỉ kết thúc chương trình 23h 008Ch – 008Fh Nhấn Ctrl-Break 24h 0090h – 0093h Địa chỉ chương trình xử lý lỗi 25h 0094h – 0097h DOS: đọc đĩa mềm / đĩa cứng 26h 0098h – 009Bh DOS: ghi đĩa mềm / đĩa cứng 27h 009Ch – 009Fh DOS: kết thúc chương trình và thường trú 28h – 3Fh 00A0h – 00FFh Dành riêng cho DOS 40h 0100h – 0103h BIOS: phục vụ đĩa mềm 41h 0104h – 0107h Địa chỉ bảng tham số đĩa cứng 1 42h – 45h 0108h – 0117h Dành riêng 46h 0118h – 011Bh Địa chỉ của bảng tham số đĩa cứng 2 47h – 49h 011Ch – 0127h Dành cho user Phạm Hùng Kim Khánh Trang 37
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 4Ah 0128h – 012Bh Hẹn giờ 4Bh – 67h 012Ch – 019Fh Dành cho user 68h – 6Fh 01A0h – 01BFh Không dùng 70h 01C0h – 01C3h IRQ8: đồng hồ thời gian thực 71h 01C4h – 01C7h IRQ9 72h 01C8h – 01CBh IRQ10 73h 01CCh – 01CFh IRQ11 74h 01D0h – 01D3h IRQ12 75h 01D4h – 01D7h IRQ13: từ 80x87 76h 01D8h – 01DBhIRQ14: đĩa cứng 77h 01DCh – 01DFh IRQ15 78h – 7Fh 01E0h – 01FFh Dành riêng 80h – F0h 0200h – 03C3h Dùng cho bộ thông dịch BASIC F1h – FFh 03C4h – 03FFh Không sử dụng 3. Gọi ngắt và chặn ngắt Quá trình gọi ngắt từ hợp ngữ đơn giản là thực hiện lệnh INT STT_ngắt sau khi nạp các tham số cần thiết cho ngắt. Khi thực hiện lệnh gọi ngắt, CPU sẽ tìm kiếm trong bảng vector ngắt địa chỉ của chương trình phục vụ ngắt. Người sử dụng cũng có thể xây dựng môt chương trình cơ sở như các chương trình xử lý ngắt. Sau đó, các chương trình khác có thể gọi ngắt ra để sử dụng. Một chương trình có thể gọi chương trình con loại này mà không cần biết địa chỉ của nó. Như vậy, nếu muốn thay đổi ngắt, ta có thể thay đổi nội dung trong bảng vector ngắt để chỉ đến chương trình phục vụ do người sử dụng tự xây dựng và chương trình này sẽ được thực hiện khi ngắt được gọi. Để làm điều này, ta chỉ cần tìm vị trí của vector ngắt tương ứng trong bảng và thay đổi giá trị của nó. Điều này thực hiện được do bảng vector ngắt đặt trong RAM và được nạp mỗi khi khởi động hệ thống. Quá trình lấy và gán địa chỉ của chương trình con phục vụ ngắt có thể thực hiện thông qua ngắt 21h bằng các hàm sau: Hàm 35h: lấy địa chỉ của ngắt Vào: AL = số thứ tự ngắt Ra: ES:BX = địa chỉ của chương trình phục vụ ngắt Hàm 25h: gán địa chỉ của một chương trình phục vụ cho một ngắt Vào: AL = số thứ tự ngắt, DS:DX Ra: không có Phạm Hùng Kim Khánh Trang 38
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 Để thực hiện chặn một ngắt, ta cần thực hiện như sau: Dùng hàm 35h lấy địa chỉ của ngắt Dùng hàm 25h gán địa chỉ mới cho ngắt Dùng hàm 25h khôi phục lại địa chỉ cũ cho ngắt Hình 2.2 – Quá trình chặn một ngắt Một ví dụ cho quá trình chặn ngắt như sau: ; ;* ;* LAB6-2.ASM - Assembler Laboratory ZMiTAC * ;* ;* Sample program that converts lowercase to uppercase when key pressed * ;* ; .MODEL SMALL .STACK 100h .CODE ; ;* Variables ; old_proc dd 0 ; address of original interrupt handler dot_flag db 0 ; dot flag ; ;* 09h interrupt handler ; segment_kb EQU 40h ; beggining of keyboard data segment wsk_kb EQU 1Ch ; offset of pointer to keyboard buffer kb_buf_begin EQU 80h ; offset of address of begining of the buffer kb_buf_end EQU 82h ; offset of address of end of the buffer keys PROC FAR ; ; Calling of original interrupt handler ; Phạm Hùng Kim Khánh Trang 39
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 int 60h ; ; Prepare registers ; push ax ; push registers on the stack push bx push dx push ds mov ax,segment_kb ; address of keyboard data segment to DS mov ds,ax ; ; Read the character and check ASCII code ; mov bx,ds:[wsk_kb] ; actual pointer to BX mov ax,ds:[kb_buf_begin] ; buffer beggining to AX cmp bx,ax ; is the beggining of the buffer ? jne mid_buf mov bx,ds:[kb_buf_end] ; last character is at the end of the buffer mid_buf: mov ax,ds:[bx-2] ; read last character cmp al,'.' ; compare with dot je dot_found ; if dot cmp al,'Z' ; compare with 'Z' ja check_lowercase ; if above check lowercase cmp al,'A' ; compare with 'A' jb keys_end ; end if less mov dot_flag,0 ; uppercase - clear flag jmp keys_end ; return check_lowercase: cmp al,'z' ; compare with 'z' ja keys_end ; end if above cmp al,'a' ; compare with 'a' jb keys_end ; end if less cmp dot_flag,0 ; was dot pressed? je keys_end ; end if not ; ; Change lowercase to uppercase ; sub al,'a'-'A' ; sub difference between cases mov ds:[bx-2],ax mov dot_flag,0 ; uppercase - clear flag jmp keys_end ; return dot_found: mov dot_flag,1 ; set flag jmp keys_end ; return ; ; Pop registers and return from interrupt ; keys_end: pop ds pop dx pop bx pop ax Phạm Hùng Kim Khánh Trang 40
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 iret keys ENDP ; ;* Main program ; ; ; Get interrupt ; start proc mov ah,35h ; function 35h - read handler address mov al,09h ; of interrupt 09h int 21h mov word ptr old_proc,bx ; store 32-bit address mov word ptr old_proc+2,es ; of original interrupt handler push cs pop ds ; handler code segment to DS mov dx,offset keys ; offset of handler address to DX mov ah,25h ; function 25h - set new handler mov al,09h ; of interrupt 09h int 21h mov dx,word ptr old_proc+2 mov ds,dx mov dx,word ptr old_proc mov ah,25h ; function 25h - set new adress mov al,60h ; of original interrupt handler int 21h ; 60h instead of 09h ; ; Main loop ; looping:mov ah,08h ; function 08h - read character int 21h ; ASCII code is returned in AL cmp al,1Bh ; ESC je ending ; if ESC end of the loop mov dl,al ; not ESC - move char to DL mov ah,02h ; function 02h - display character int 21h ; ASCII code of char in DL jmp looping ; ending: mov dx,word ptr old_proc+2 mov ds,dx mov dx,word ptr old_proc mov ah,25h ; function 25h - set old handler mov al,09h ; of interrupt 09h int 21h mov ah,4Ch ; end of the program int 21h start endp END start 4. Tạo và bắt các sự kiện Trong hệ điều hành Windows, hook (câu móc) là cơ chế cho phép một hàm chặn một sự kiện (thông điệp, chuột, phím nhấn) trước khi đưa đến đối tượng cần xử lý. Hàm này cho phép thay đổi hoặc thậm chí cấm sự kiện xảy ra. Chúng được gọi là hàm lọc (filter) và được Phạm Hùng Kim Khánh Trang 41
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 phân loại dựa theo loại sự kiện bị chặn. Để gọi được hàm lọc, ta cần phải thực hiện quá trình gắn (attach) vào quá trình câu móc (như câu móc bàn phím). Việc gắn một hay nhiều hàm lọc vào một quá trình câu móc được gọi là thiết lập (setting) một quá trình câu móc. Nếu một quá trình câu móc có nhiều hơn một hàm lọc, Windows sẽ duy trì một chuỗi các hàm lọc trong đó hàm được cài đặt vào gần nhất sẽ nằm ở đầu chuỗi và hàm cài đặt lâu nhất sẽ nằm ở cuối chuỗi. Nếu sự kiện xảy ra làm khởi động quá trình câu móc, Windows sẽ gọi hàm lọc đầu tiên trong chuỗi. Quá trình câu móc vào một sự kiện được sử dụng bằng hàm SetWindowsHookEx và hàm UnhookWindowsHookEx dùng để xóa bỏ hàm lọc khỏi quá trình. Cơ chế câu móc cung cấp các khả năng mạnh mẽ cho một ứng dụng Windows. Các ứng dụng này có thể dùng quá trình câu móc để: - Xử lý và thay đổi các thông điệp gởi đến các dialog box, message box, scroll bar và menu của một ứng dụng (WH_MSGFILTER). - Xử lý và thay đổi các thông điệp gởi đến các dialog box, message box, scroll bar và menu của hệ thống (WH_SYSMSGFILTER). - Xử lý và thay đổi các thông điệp của hệ thống bất cứ khi nào hàm GetMessage hay PeekMessage được gọi (WH_GETMESSAGE). - Xử lý và thay đổi các thông điệp của hệ thống bất cứ khi nào hàm SendMessage được gọi (WH_CALLWNDPROC). - Ghi hay thực hiện lại các sự kiện bàn phím và chuột (WH_JOURNALRECORD, WH_JOURNALPLAYBACK). - Xử lý, sửa đổi hay cấm sự kiện chuột (WH_MOUSE). - Xử lý, sửa đổi hay cấm sự kiện bàn phím (WH_KEYBOARD). - Đáp ứng với các hoạt động nào đó của hệ thống, có khả năng phát triển CBT (computer-based training) cho ứng dụng (WH_CBT). - Cấm các hàm lọc khác (WH_DEBUG). Các ứng dụng thường dùng quá trình câu móc để: - Dùng phím F1 để hỗ trợ cho menu, dialog box và message box (WH_MSGFILTER). - Lưu lại quá trình thực hiện khi nhấn phím hay chuột (thường dùng cho macro). Ví dụ như Windows Recorder sử dụng hook để hỗ trợ chức năng record và playback (WH_JOURNALRECORD, WH_JOURNALPLAYBACK). - Quản lý thông điệp để xác nhận thông điệp được gởi tới cửa sổ hay được tạo ra (WH_GETMESAGE, WH_CALLWNDPROC). - Mô phỏng ngõ vào chuột và bàn phím (WH_JOURNALPLAYBACK). Quá trình câu móc là phương pháp tin cậy để thực hiện hoạt động này. Nếu ta thực hiện mô phỏng bằng cách gởi thông điệp, Windows sẽ không thực hiện cập nhật trạng thái của bàn phím hay chuột dẫn đến các hoạt động không mong muốn. Nếu quá trình câu móc thực hiện điều này, nó sẽ được xử lý giống như sự kiện chuột hay bàn Phạm Hùng Kim Khánh Trang 42
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 phím xảy ra. Ví dụ như Microsoft Excel dùng hook để thực hiện macro SENDKEYS. - Cung cấp khả năng CBT cho ứng dụng thực hiện trên môi trường Windows (WH_CBT) làm cho quá trình phát triển ứng dụng CBT dễ dàng hơn. Phạm vi sử dụng: Một trong những đặc trưng của Win32 Hook là cho phép chỉ định quá trình câu móc là hệ thống hay ở dạng luồng (thread). Hook hệ thống cho phép tác động đến các cửa sổ khác trong hệ thống còn hook luồng chỉ cho phép tác động đến cửa sổ hiện hành. Cách thức sử dụng quá trình câu móc: Để sử dụng quá trình câu móc, ta cần phải biết: - Làm thế nào dùng hàm câu móc của Windows để thêm vào hay xóa bỏ một hàm lọc trong chuỗi hàm xử lý của một quá trình câu móc. - Cần phải thực hiện các hoạt động gì để cài đặt một hàm lọc. - Có thể thực hiện được hàm câu móc nào và chúng có thể làm được gì, gởi những thông tin nào. 4.1. Hàm câu móc của Windows Các ứng dụng trên nền Windows sử dụng các hàm SetWindowsHookEx, UnhookWindowsHookEx và CallNextHookEx để quản lý chuỗi hàm lọc trong một quá trình câu móc. Trước phiên bản 3.1, Windows thực hiện quản lý bằng các hàm SetWindowsHook, UnhookWindowsHook và DefHookProc. Mặc dù các hàm này cũng có khả năng thực hiện được trên nền Win32 nhưng sẽ có một số đặc trưng không sử dụng được như các phiên bản mới (Ex). 4.1.1. Hàm SetWindowsHookEx Dùng để thêm một hàm lọc vào một quá trình câu móc. Khai báo: Public Declare Function SetWindowsHook Lib "user32" Alias "SetWindowsHookA" (ByVal nFilterType As Long, ByVal pfnFilterProc As Long) As Long Public Declare Function SetWindowsHookEx Lib "user32" Alias "SetWindowsHookExA" (ByVal idHook As Long, ByVal lpfn As Long, ByVal hmod As Long, ByVal dwThreadId As Long) As Long Hàm SetWindowsHookEx gồm có 4 tham số: - idHook: xác định loại hàm câu móc sẽ cài đặt. Thông số này gồm các giá trị sau: WH_KEYBOARD: cài đặt hàm câu móc quản lý thông điệp gởi đi khi nhấn phím (ngoại trừ tổ hợp Ctrl – Alt – Del). WH_MOUSE: cài đặt hàm câu móc quản lý thông điệp khi điều khiển chuột. WH_CALLWNDPROC: cài đặt hàm câu móc quản lý thông điệp trước khi hệ thống gởi đến cửa sổ, chỉ cho phép xử lý thông điệp mà không được thay đổi thông điệp. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 43
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 WH_CALLWNDPROCRET: cài đặt hàm câu móc quản lý thông điệp sau khi cửa sổ đã xử lý. Loại này cho phép thay đổi giá trị trả về của thông điệp. WH_MSGFILTER: cài đặt hàm câu móc quản lý các thông điệp được tạo ra giống như có một sự kiện của dialog box, message box, menu hay scroll bar. WH_GETMESSAGE: cài đặt hàm câu móc quản lý các thông điệp được gởi tới hàng đợi. WH_CBT: cài đặt hàm câu móc để nhận thông báo từ ứng dụng CBT. WH_DEBUG: cài đặt hàm câu móc để gỡ rối một hàm câu móc khác. WH_FOREGROUNDIDLE: cài đặt hàm câu móc trong đó hàm này được gọi khi luồng (thread) foreground của ứng dụng rảnh (idle). Quá trình này thường sử dụng để thực thi các tác vụ có độ ưu tiên thấp khi luồng ưu tiên rảnh. WH_JOURNALPLAYBACK: cài đặt hàm câu móc để gởi các thông điệp đã được lưu bằng hàm câu móc WH_JOURNALRECORD. WH_JOURNALRECORD: cài đặt hàm câu móc lưu lại các thông điệp đã gởi đến hàng đợi. WH_KEYBOARD_LL: cài đặt hàm câu móc quản lý sự kiện bàn phím ở mức thấp (dùng cho Windows NT/2000/XP). WH_MOUSE_LL: cài đặt hàm câu móc quản lý sự kiện chuột ở mức thấp (dùng cho Windows NT/2000/XP). WH_SHELL: cài đặt hàm câu móc cho một ứng dụng shell. WH_SYSMSGFILTER: cài đặt hàm câu móc quản lý các thông điệp được tạo ra giống như có một sự kiện của dialog box, message box, menu hay scroll bar. Hàm này quản lý cho tất cả ứng dụng trong cùng một desktop. - lpfn: Con trỏ chỉ đến địa chỉ của hàm lọc. Nếu tham số dwThreadId = 0 hay chỉ đến một luồng được tạo bởi một tiến trình (process) khác, tham số lpfn phải chỉ đến một hàm câu móc trong một thư viện liên kết động (DLL). Ngược lại, lpfn chỉ đến hàm câu móc chứa trong bản thân tiến trình hiện hành. - hMod: handle chỉ đến DLL chứa hàm xử lý xác định bằng tham số lpfn. Tham số hMod phải đặt là NULL nếu hàm câu móc nằm trong tiến trình hiện hành - dwThreadId: Xác định ID của luồng thực hiện quá trình câu móc. Nếu dwThreadId = 0, hàm câu móc sẽ tác động đến tất cả các luồng. Ứng dụng có thể dùng hàm GetCurrentThreadId để xác định ID của luồng hiện hành. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 44
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 Phạm vi thực hiện của hàm câu móc mô tả như sau: Hook Phạm vi WH_CALLWNDPROC Luồng hay hệ thống WH_CBT Luồng hay hệ thống WH_DEBUG Luồng hay hệ thống WH_GETMESSAGE Luồng hay hệ thống WH_JOURNALRECORD Hệ thống WH_JOURNALPLAYBACK Hệ thống WH_FOREGROUNDIDLE Luồng hay hệ thống WH_SHELL Luồng hay hệ thống WH_KEYBOARD Luồng hay hệ thống WH_MOUSE Luồng hay hệ thống WH_MSGFILTER Luồng hay hệ thống WH_SYSMSGFILTER Hệ thống Hàm SetWindowsHookEx trả về handle của quá trình câu móc đã cài đặt và trả về NULL nếu quá trình cài đặt không thành công. Handle này được dùng để xóa quá trình câu móc khi sử dụng hàm UnhookWindowsHookEx. Các thông báo lỗi khi quá trình câu móc không thành công là: - ERROR_INVALID_HOOK_FILTER: mã câu móc sai - ERROR_INVALID_FILTER_PROC: hàm lọc sai - ERROR_HOOK_NEEDS_HMOD: một quá trình câu móc toàn cục sử dụng tham số hMod = NULL hay chỉ đến một luồng không tồn tại. - ERROR_GLOBAL_ONLY_HOOK: một quá trình câu móc chỉ dùng được cho hệ thống nhưng được cài đặt cho một luồng xác định. - ERROR_INVALID_PARAMETER: ID của luồng sai. - ERROR_JOURNAL_HOOK_SET: Cài đặt thêm một quá trình câu móc dạng nhật ký (WH_JOURNALRECORD và WH_JOURNALPLAYBACK) trong khi một quá trình dạng này đang tồn tại (tại một thời điểm chỉ cho phép một quá trình dạng nhật ký). - ERROR_MOD_NOT_FOUND: Tham số hMod chỉ đến một hàm không xác định được. - Khác: không cho phép do bảo mật của hệ thống hay bộ nhớ tràn. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 45
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 4.1.2. Hàm UnhookWindowsHookEx: Dùng để xoá một hàm lọc ra khỏi chuỗi xử lý một quá trình câu móc. Hàm này lấy handle của quá trình câu móc trả về từ lệnh gọi hàm SetWindowsHookEx và luôn trả về giá trị TRUE. Khai báo: Public Declare Function UnhookWindowsHook Lib "user32" Alias "UnhookWindowsHook" (ByVal nCode As Long, ByVal pfnFilterProc As Long) As Long Public Declare Function UnhookWindowsHookEx Lib "user32" Alias "UnhookWindowsHookEx" (ByVal hHook As Long) As Long 4.1.3. Hàm CallNextHookEx: Dùng để chuyển thông tin câu móc đến hàm câu móc kế tiếp trong chuỗi xử lý. Declare Function CallNextHookEx Lib "user32" (ByVal hHook As Long, ByVal ncode As Long, ByVal wParam As Long, lParam As Any) As Long - hHook: handle của quá trình câu móc, là giá trị trả về từ lệnh gọi hàm SetWindowsHookEx. Thông thường Windows bỏ qua giá trị này. - nCode: mã của quá trình câu móc, hàm câu móc dùng mã này để xác định phương pháp xử lý thông tin. - wParam: xác định tham số được xử lý bởi hàm câu móc. - lParam: giống như wParam. Khi một quá trình câu móc khởi động, Windows gọi hàm đầu tiên trong chuỗi hàm lọc và kết thúc quản lý quá trình, các hàm lọc phía sau sẽ không xử lý. Để thực hiện các hàm ở phía sau trong chuỗi hàm, Windows cung cấp hàm CallNextHookEx cho phép gọi một hàm kế tiếp trong chuỗi hàm lọc. Như vậy, nếu một hàm lọc nào đó không thực hiện hàm CallNextHookEx thì các hàm lọc ở phía sau sẽ không thực hiện. Một ví dụ sử dụng các hàm xử lý câu móc như sau: 'Ch•a trong m•t file module Public Const WH_KEYBOARD = 2 Public Const VK_SHIFT = &H10 Public Const VK_CONTROL = &H11 Public Const VK_MENU = &H12 Declare Function CallNextHookEx Lib "user32" (ByVal hHook As Long, ByVal ncode As Long, ByVal wParam As Long, lParam As Any) As Long Declare Function GetKeyState Lib "user32" (ByVal nVirtKey As Long) As Integer ‘Xác ••nh tr•ng thái c•a m•t phím (Bit15) Phạm Hùng Kim Khánh Trang 46
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 Declare Function SetWindowsHookEx Lib "user32" Alias "SetWindowsHookExA" (ByVal idHook As Long, ByVal lpfn As Long, ByVal hmod As Long, ByVal dwThreadId As Long) As Long Declare Function UnhookWindowsHookEx Lib "user32" (ByVal hHook As Long) As Long Public hHook As Long Public Function KeyboardProc(ByVal idHook As Long, ByVal wParam As Long, ByVal lParam As Long) As Long If idHook < 0 Then 'G•i hàm x• lý k• ti•p KeyboardProc = CallNextHookEx(hHook, idHook, wParam, ByVal lParam) Else 'N•u nh•n Shift-C If (GetKeyState(VK_SHIFT) And &H8000) And wParam = Asc("C") Then 'thì hi•n th• k•t qu• Form1.Print "Shift-C pressed " End If If (GetKeyState(VK_CONTROL) And &H8000) And wParam = Asc("C") Then Form1.Print "Ctrl-C pressed " End If If (GetKeyState(VK_MENU) And &H8000) And wParam = Asc("C") Then Form1.Print "Alt-C pressed " End If 'G•i hàm x• lý k• ti•p KeyboardProc = CallNextHookEx(hHook, idHook, wParam, ByVal lParam) End If End Function 'Ch•a trong form Private Sub Form_Load() '••t quá trình câu móc hHook = SetWindowsHookEx(WH_KEYBOARD, AddressOf KeyboardProc, App.hInstance, App.ThreadID) End Sub Private Sub Form_Unload(Cancel As Integer) Phạm Hùng Kim Khánh Trang 47
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 2 'Xoá quá trình câu móc UnhookWindowsHookEx hHook End Sub 4.2. Hàm lọc Hàm lọc thường có dạng như sau: Function FilterFunc (ByVal nCode As Integer, ByVal wParam As Long, ByVal lParam As Long) Hàm lọc nhận 3 tham số: - nCode: mã của quá trình câu móc, là một số nguyên xác định hàm lọc, ví dụ như loại sự kiện làm khởi động quá trình câu móc. Mã này được xác định khi hàm lọc xử lý sự kiện hay gọi hàm DefHookProc. Nếu mã câu móc < 0 thì hàm lọc sẽ không xử lý sự kiện mà sẽ gọi hàm DefHookProc để truyền 3 tham số còn lại cho hàm lọc kế tiếp trong chuỗi hàm lọc bằng hàm CallNextHookEx. - Tham số thứ hai wParam và thứ ba lParam chứa các thông tin cần thiết cho hàm lọc. Mỗi quá trình câu móc dùng các giá trị wParam và lParam khác nhau. Ví dụ như, quá trình câu móc bàn phím WH_KEYBOARD chứa mã phím nhấn trong wParam và trạng thái bàn phím trong lParam. Hay quá trình câu móc WH_MSGFILTER chứa giá trị NULL trong wParam và một con trỏ chỉ đến thông điệp chứa trong lParam. Hàm lọc dùng trong DLL: Đối với các quá trình câu móc cục bộ, hàm lọc có thể đặt ngay trong mã lệnh của ứng dụng nhưng đối với các quá trình câu móc hệ thống, hàm lọc phải được đặt trong một DLL. Chỉ có quá trình câu móc dạng nhật ký (WH_JOURNALRECORD và WH_JOURNALPLAYBACK) là ngoại lệ. Hàm lọc của quá trình câu móc hệ thống phải chia sẻ dữ liệu cho tiến trình thực hiện quá trình câu móc. Các biến toàn cục sử dụng trong DLL phải được xác định rõ hay phải đặt trong vùng dữ liệu chia sẻ. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 48
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 Chương 3 GIAO TIẾP THIẾT BỊ CHUẨN 1. Giao tiếp bàn phím 1.1. Nguyên lý hoạt động Keyboard Keyboard Interface IRQ1 Y- Decoder IRQ Logic D0 Serial 11 bits SDU D1 Interface D2 (PC/XT) D3 or Scan Keyboard Matrix D4 Controller D5 8042/8741/8742 Keyboard cable (AT ect) Keyboard chip X - Decoder D6 Scan Enable D7 Hình 3.1 - Sơ đồ nguyên lý và các ghép nối của bàn phím Chip xử lý bàn phím liên tục kiểm tra trạng thái của ma trận quét (scan matrix) để xác định công tắc tại các tọa độ X, Y đang được đóng hay mở và ghi một mã tương ứng vào bộ đệm bên trong bàn phím. Sau đó mã này sẽ được truyền nối tiếp tới mạch ghép nối bàn phím trong PC. Cấu trúc của SDU (Serial Data Unit) cho việc truyền số liệu: 0 10 STRT DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 PAR STOP STRT: bit start (luôn bằng 0) DB0 - DB7: bit số liệu từ 0 đến 7. PAR: bit parity (luôn lẻ) STOP: bit stop (luôn bằng 1). Phạm Hùng Kim Khánh Trang 49
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 Chân 1: clock Chân 2: dữ liệu Chân 3: Reset Chân 4: GND Chân 5: Vcc Hình 3.2 – Đầu cắm bàn phím AT Chân 1: dữ liệu Chân 2: không dùng Chân 3: GND Chân 4: Vcc Chân 5: clock Chân 6: không dùng Hình 3.3 – Đầu cắm bàn phím PS/2 Mỗi phím nhấn sẽ được gán cho 1 mã quét (scan code) gồm 1 byte. Nếu 1 phím được nhấn thì bàn phím phát ra 1 mã make code tương ứng với mã quét truyền tới mạch ghép nối bàn phím của PC. Ngắt cứng INT 09h được phát ra qua IRQ1. Chương trình xử lý ngắt sẽ xử lý mã này tuỳ theo phím SHIFT có được nhấn hay không. Ví dụ: nhấn phím SHIFT trước, không rời tay và sau đó nhấn ‘C’: make code được truyền - 42(SHIFT) - 46 (‘C’). Nếu rời tay nhấn phím SHIFT thì bàn phím sẽ phát ra break code và mã này được truyền như make code. Mã này giống như mã quét nhưng bit 7 được đặt lên 1, do vậy nó tương đương với make code cộng với 128. Tuỳ theo break code, chương trình con xử lý ngắt sẽ xác định trạng thái nhấn hay rời của các phím. Thí dụ, phím SHIFT và ‘C’ được rời theo thứ tự ngược lại với thí dụ trên: break code được truyền 174 ( bằng 46 cộng 128 tương ứng với ‘C’) và 170 (bằng 42 cộng 128 tương ứng với SHIFT). Phần cứng và phần mềm xử lý bàn phím còn giải quyết các vấn đề vật lý sau: - Nhấn và nhả phím nhưng không được phát hiện. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 50
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 - Khử nhiễu rung cơ khí và phân biệt 1 phím được nhấn nhiều lần hay được nhấn chỉ 1 lần nhưng được giữ trong một khoảng thời gian dài. 1.2. Lập trình giao tiếp qua các cổng Bàn phím cũng là một thiết bị ngoại vi nên về nguyên tắc có thể truy xuất nó qua các cổng vào ra. Các thanh ghi và các port: Sử dụng 2 địa chỉ port 60h và 64h có thể truy xuất bộ đệm vào, bộ đệm ra và thanh ghi điều khiển của bàn phím. Port Thanh ghi R/W 60h Đệm ngõ ra R 60h Đệm ngõ vào W 64h Thanh ghi điều khiển W 64h Thanh ghi trạng thái R Thanh ghi trạng thái xác định trạng thái hiện tại của bộ điều khiển bàn phím. Thanh ghi này chỉ đọc (read only) và đọc bằng lệnh IN tại port 64h. 7 0 PARE TIM AUXB KEYL C/D SYSF INPB OUTB PARE: Lỗi chẵn lẻ của byte cuối cùng được vào từ bàn phím; 1 = có lỗi chẵn lẻ, 0 = không có. TIM: Lỗi quá thời gian (time-out); 1 = có lỗi, 0 = không có. AUXB: Đệm ra cho thiết bị phụ (chỉ có ở máy PS/2); 1 = giữ số liệu cho thiết bị, 0 = giữ số liệu cho bàn phím. KEYL: Trạng thái khóa bàn phím; 1 = không khóa, 0 = khóa. C/D: Lệnh/dữ liệu; 1 = Ghi qua port 64h, 0 = Ghi qua port 60h. SYSF: cờ hệ thống; 1 = tự kiểm tra thành công, 0 = reset khi cấp điện INPB: Trạng thái đệm vào; 1 = dữ liệu CPU trong bộ đệm vào, 0 = đệm vào rỗng. OUTB: Trạng thái đệm ra; 1 = dữ liệu bộ điều khiển bàn phím trong bộ đệm ra, 0 = đệm ra rỗng. Thanh ghi điều khiển Các lệnh cho bộ điều khiển bàn phím: Mã Mô tả A7h Cấm thiết bị phụ A8h Cho phép thiết bị phụ A9h Kiểm tra giao tiếp thiết bị phụ và lưu mã kiểm tra vào bộ đệm ra 00h: không lỗi 01h: CLK ở mức thấp 02h: CLK ở mức cao 03h: DATA ở mức thấp Phạm Hùng Kim Khánh Trang 51
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 04h: DATA ở mức cao FFh: lỗi khác AAh Tự kiểm tra (ghi 55h vào bộ đệm ra nếu không lỗi ABh Kiểm tra giao tiếp bàn phím và lưu mã kiểm tra vào bộ đệm ra ADh Cấm bàn phím AEh Cho phép bàn phím C0h Đọc cổng vào và truyền dữ liệu đến bộ đệm ra C1h Đọc các bit 3 – 0 của cổng vào và truyền đến các bit 3- 0 của thanh ghi trạng thái cho đến khi INPB = 1 C2h Đọc các bit 7 – 4 của cổng vào và truyền đến các bit 7- 4 của thanh ghi trạng thái cho đến khi INPB = 1 D0h Đọc cổng ra D1h Ghi cổng ra D2h Ghi vào bộ đệm ra và xoá AUXB D3h Ghi vào bộ đệm ra và set AUXB D4h Ghi byte dữ liệu tiếp theo vào thiết bị phụ Khóa bàn phím: Start: IN AL, 64h ; đọc byte trạng thái TEST AL, 02h ; kiểm tra bộ đệm có đầy hay không JNZ start OUT 64h, 0ADh ; khóa bàn phím Keyboard Controller 60h Keyboard Input Buffer Output Port 60h Output Buffer 64h PC System Bus PS/2 only Control Register Input Port 64h Status Register Hình 3.4 - Bộ điều khiển bàn phím Phạm Hùng Kim Khánh Trang 52
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 Các lệnh cho bàn phím: Mã Lệnh Mô tả EDh Bật/tắt LED Bật/tắt các đèn led của bàn phím EEh Echo Trả về byte EEh F0h Đặt/nhận dạng mã quét Đặt 1 trong 3 tập mã quét và nhận diện các mã quét tập mã quét hiện tại. F2h Nhận diện bàn phím Nhận diện ACK = AT, ACK+abh+41h=MF II. F3h Đặt tốc độ lặp lại/trễ Đặt tốc độ lặp lại và thời gian trễ của bàn phím F4h Enable Cho phép bàn phím hoạt động F5h Chuẩn/không cho phép Đặt giá trị chuẩn và cấm bàn phím. F6h Chuẩn/cho phép Đặt giá trị chuẩn và cho phép bàn phím. FEh Resend Bàn phím truyền ký tự cuối cùng một lần nữa tới bộ điều khiển bàn phím FFh Reset Chạy reset bên trong bàn phím Thí dụ: lệnh bật đèn led cho phím NUMCLOCK, tắt tất cả các đèn khác. MOV AL,0EDh OUT 60H, AL WAIT: IN AL, 64H ; đọc thanh ghi trạng thái JNZ WAIT MOV AL,02h OUT 60H, AL ; bật đèn cho numclock Cấu trúc của byte chỉ thị như sau: 7 2 1 0 0 0 0 0 0 CPL NUM SCR CPL: 1 = bật đèn Caps Lock; 0 = tắt NUM: 1 = bật đèn Num Lock; 0 = tắt SCR: 1 = bật đèn Scroll Lock; 0 = tắt 1.3. Lập trình giao tiếp qua các hàm của DOS, BIOS BIOS ghi các ký tự do việc nhấn các phím vào bộ đệm tạm thời được gọi là bộ đệm bàn phím (keyboard buffer), có địa chỉ 40h:1Eh, gồm 32 byte và kết thúc ở địa chỉ 40h:3Dh. Mỗi ký tự được lưu trữ bằng 2 byte, byte cao là mã quét, và byte thấp là mã ASCII. Chương trình xử lý ngắt sẽ xác định mã ASCII từ mã quét bằng bảng biến đổi và ghi cả 2 mã vào bộ đệm bàn phím. Bộ đệm bàn phím được tổ chức như bộ đệm vòng (ring buffer) và được quản lý bởi 2 con trỏ. Các giá trị con trỏ được lưu trữ trong vùng dữ liệu của BIOS ở địa chỉ 40h:1Ah và 40h:1Ch. Con trỏ ghi (40h:1Ch) cho biết vị trí còn trống kế tiếp để ghi ký tự nhập, con trỏ đọc (40h:1Ah) cho biết vị trí ký tự đầu tiên sẽ đọc. Từ đó, bộ đệm bàn phím rỗng khi con trỏ ghi và con trỏ đọc trùng nhau Æ bộ đệm chỉ chứa được 15 ký tự. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 53
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 Các hàm của ngắt 16h: Hàm 0h - đọc ký tự từ bàn phím, nếu không nhấn thì sẽ chờ Ra: AH = scancode, AL = mã ASCII. Nếu phím nhấn là các phím đặc biệt thì AL = 0 Hàm 1h - ZF = 1 nếu không có ký tự trong bộ đệm. Giá trị trả về giống như hàm 00h nhưng không xoá ký tự ra khỏi bộ đệm Hàm 2h - Trả về trạng thái của các phím, kết quả chứa trong AL 7 6 5 4 3 2 1 0 INS CAPS NUM SCROLL ALT CTRL LEFT RIGHT LOCK LOCK LOCK SHIFT SHIFT Hàm 10h - Giống hàm 00h nhưng trả về mã mở rộng Hàm 11h - Giống hàm 01h nhưng trả về mã mở rộng Hàm 12h - Giống hàm 02h nhưng AH chứa thêm các thông tin 7 6 5 4 3 2 1 0 SYS CAPS NUM SCROLL RIGHT RIGHT LEFT LEFT REQ LOCK LOCK LOCK ALT CTRL ALT CTRL Các thí dụ: - Giả sử phím ‘c’ đã được nhấn. MOV AH,00h INT 16h Kết quả: AH = 2Eh (mã quét cho phím ‘a’); AL = 63h (ASCII cho ‘c’) - Giả sử phím ‘HOME’ đã được nhấn. MOV AH,00h INT 16h Kết quả: AH = 47h ( mã quét cho phím ‘HOME’) AL = 0 (các phím chức năng và điều khiển không có mã ASCII) - Giả sử phím ‘HOME’ đã được nhấn. MOV AH,10h INT 16h Kết quả: AH = 47h (mã quét cho phím ‘HOME’) AL = E0h Phạm Hùng Kim Khánh Trang 54
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 2. Giao tiếp chuột 2.1. Cấu tạo Cấu tạo của chuột rất đơn giản, phần trung tâm là 1 viên bi thép được phủ keo hoặc nhựa được quay khi dịch chuyển chuột. Chuyển động này được truyền tới 2 thanh nhỏ được đặt vuông góc với nhau. Các thanh này sẽ biến chuyển động của chuột theo 2 hướng X,Y thành sự quay tưong ứng của 2 đĩa gắn với chúng. Trên 2 đĩa có những lỗ nhỏ liên tục đóng và ngắt 2 chùm sáng tới các sensor nhạy sáng để tạo ra các xung điện. Số các xung điện tỷ lệ với lượng chuyển động của chuột theo các hướng X,Y và số xung trên 1 sec biểu hiện tốc độ của chuyển động chuột. Kèm theo đó có 2 hay 3 phím bấm. Te bao nhay sang Nguon sang Truc lan Y Vien bi Di cong COM Bo khuech dai X Hình 3.5 - Sơ đồ cấu tạo của chuột 2.2. Mạch ghép nối và chương trình điều khiển chuột Hầu hết chuột được nối với PC qua cổng nối tiếp, qua đó chuột cũng được cấp nguồn nuôi từ PC. Khi dịch chuyển hoặc nhấn, nhả các phím chuột, nó sẽ phát ra một gói dữ liệu tới mạch giao tiếp và mạch sẽ phát ra 1 ngắt. Phần mềm điều khiển chuột làm các nhiệm vụ: chuyển ngắt tới mạch giao tiếp nối tiếp xác định, đọc dữ liệu và cập nhật các giá trị bên trong liên quan tới trạng thái của bàn phím cũng như vị trí của chuột. Hơn nữa, nó còn cung cấp 1 giao tiếp mềm qua ngắt 33h để định các giá trị bên trong này cũng như làm dịch chuyển con trỏ chuột trên màn hình tương ứng với vị trí của chuột. Có thể chọn kiểu con trỏ chuột cứng hoặc mềm trong chế độ văn bản hay con trỏ chuột đồ hoạ trong chế độ đồ họa. Các hàm 09h và 0Ah trong ngắt 33h cho phép định nghĩa loại và dạng con trỏ chuột. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 55
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 2.3. Chương trình với con trỏ Ngắt 33h cho phép xác định vị trí, số lần click chuột và hình dạng con trỏ (số thứ tự hàm chứa trong AX). Hàm Ý nghĩa Tham số Ra: AX = 0: nếu có, = 1: không 0 Reset chuột BX = số nút nhấn 1 Hiển thị con trỏ 2 Ẩn con trỏ Ra: BX: trạng thái nút (D0: nút trái, D1: nút phải, D2: nút giữa) 3 Nhận vị trí con trỏ và trạng thái nút (= 0: nhả, = 1: nhấn) CX: vị trí ngang DX: vị trí dọc Vào: CX: vị trí ngang 4 Đặt vị trí con trỏ DX: vị trí dọc Vào: BX = nút kiểm tra (=0: trái, =1: phải) Ra: AX = trạng thái nút 5 Trạng thái nút và số lần nhấn từ khi gọi BX = số lần nhấn CX: vị trí ngang DX: vị trí dọc lần nhấn cuối 6 Giống hàm 05h nhưng kiểm tra số lấn nhả Vào: CX = cột trái 7 Giới hạn dịch chuyển ngang của con trỏ DX = cột phải Vào: CX = dòng dưới 8 Giới hạn dịch chuyển dọc của con trỏ DX = dòng trên Vào: BX = vị trí ngang 9 Xác định hình dạng con trỏ đồ hoạ CX = vị trí dọc ES:DX: địa chỉ mặt nạ màn hình và con trỏ Vào: BX = 0: con trỏ phần mềm CX = mặt nạ màn hình DX = mặt nạ con trỏ A Xác định hình dạng con trỏ văn bản BX = 1: con trỏ phần cứng CX = dòng bắt đầu DX = dòng kết thúc Chú ý rằng toạ độ con trỏ xác định theo pixel với độ phân giải 640x200 trong khi chế độ văn bản sử dụng toạ độ ký tự 80x25 nên để chuyển sang toạ độ ký tự thì phải chia cho 8. Con trỏ chuột hiển thị trên màn hình đồ hoạ bằng cách thực hiện: Từ mới = (từ cũ AND mặt nạ màn hình) XOR mặt nạ con trỏ Nếu ta đặt mặt nạ màn hình là 0 thì ký tự màn hình tại đó sẽ bị xoá. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 56
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 VD: Con trỏ chuột mềm nhấp nháy và chứa ký tự ‘A’ MOV AH,0Ah MOV BX,0 MOV CX,0 ; m•t n• màn hình = 0 MOV DH,8Bh; = 10001011b Æ màu n•n Gray, màu ký t• Cyan MOV DL,’A’ INT 33h VD: Con trỏ chuột cứng có các đường quét 3 và 8 MOV AH,0Ah MOV BX,1 MOV CX,03h MOV DX,08h INT 33h 3. Giao tiếp màn hình 3.1. Card màn hình Để hiện các hình ảnh, ký tự, hay hình vẽ trên màn hình, PC phải thông qua mạch ghép nối màn hình (graphics adapter). Board mạch này thường được cắm trên khe cắm mở rộng của PC. Trong chế độ văn bản (text mode), các ký tự được xác định bởi mã ASCII, trong đó có cả các thông tin về thuộc tính của ký tự, thí dụ ký tự được hiện theo cách nhấp nháy hay đảo màu đen trắng .ROM ký tự (character rom) lưu trữ các hình mẫu điểm ảnh của các ký tự tương ứng để máy phát ký tự biến đổi các mã ký tự đó thành 1 chuỗi các bit điểm ảnh (pixel bit) và chuyển chúng tới thanh ghi dịch (shift register). Máy phát tín hiệu sẽ sử dụng các bit điểm ảnh này cùng với các thông tin thuộc tính từ RAM video và các tín hiệu đồng bộ từ CRTC để phát ra các tín hiệu cần thiết cho monitor. Trong chế độ đồ họa (graphics mode), thông tin trong RAM video được sử dụng trực tiếp cho việc phát ra các ký tự. Lúc này các thông tin về thuộc tính cũng không cần nữa. Chỉ từ các giá trị bit trong thanh ghi dịch, máy phát tín hiệu sẽ phát các tín hiệu về độ sáng và màu cho monitor. Mỗi ký tự được biểu diễn bởi 1 từ 2 byte trong RAM video. Byte thấp chứa mã ký tự, byte cao chứa thuộc tính. Cấu trúc của một từ nhớ video như sau: 15 14 13 12 11 10 9 8 BLNK BAK2 BAK1 BAK0 INT FOR2 FOR1 FOR0 7 6 5 4 3 2 1 0 CHR7 CHR6 CHR5 CHR4 CHR3 CHR2 CHR1 CHR0 BLNK: Nhấp nháy; 1 = bật, 0 = tắt INT: Cường độ sáng ; 1 = cao, 0 = bình thường CHR7 CHR0: Mã ký tự. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 57
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 Bảng màu quy định như sau: Mã hex Màu Mã hex Màu Mã hex Màu Mã hex Màu 0 Black 4 Red 8 Dark Gray C Light Red 1 Blue 5 Magenta 9 Light Blue D Light Magenta 2 Green 6 Brown A Light Green E Yellow 3 Cyan 7 Light Gray B Light Cyan F White Trong chế độ văn bản, 6845 liên tục xuất các địa chỉ cho RAM video qua MA0- MA13. Ký tự ở góc tận cùng phía trên bên trái màn hình có địa chỉ thấp nhất mà 6845 sẽ cung cấp ngay sau khi quét dọc ngược. Logic ghép nối định địa chỉ cho RAM video bằng việc lấy ra mã ký tự cùng với thuộc tính. Mã ký tự dùng cho máy phát ký tự như là chỉ số thứ nhất trong ROM ký tự. Lúc này, 6845 định địa chỉ hàng quét đầu tiên của ma trận ký tự, địa chỉ hàng bằng 0. Các bit của ma trận điểm ảnh bây giờ sẽ được truyền đồng bộ với tần số video từ thanh ghi dịch tới máy phát tín hiệu. Nếu máy phát tín hiệu nhận được giá trị 1 từ thanh ghi dịch, nó sẽ phát tín hiệu video tương ứng với màu của ký tự. Nếu nhận được 0 nó sẽ cấp tín hiệu tương ứng với màu nền. Vậy dòng quét thứ nhất được hiện phù hợp với các ma trận điểm ảnh của các ký tự trong hàng ký tự thứ nhất. Khi tia điện tử đạt tới cuối dòng quét, 6845 kích hoạt lối ra HS (Horizontal Synchronization) để tạo ra quá trình quét ngược và đồng bộ ngang. Tia điện tử quay trở về bắt đầu quét dòng tiếp. Sau mỗi dòng quét, 6845 tăng giá trị RA0-RA4 lên 1. Địa chỉ dòng này hình thành một giá trị offset bên trong ma trận điểm ảnh cho ký tự được hiện. Dựa trên mỗi dòng quét như vậy, một dòng các điểm ảnh của ký tự trong hàng ký tự được hiện ra. Điều này có nghĩa là với ma trận 9x14 điểm ảnh cho 1 ký tự, hàng ký tự thứ nhất đã được hiện sau 14 dòng quét. Khi địa chỉ RA0- RA4 trở về giá trị 0, 6845 sẽ cấp 1 địa chỉ MA0-MA13 mới và hàng ký tự thứ hai sẽ được hiện ra cũng như vậy. Ở cuối dòng quét cuối cùng, 6845 sẽ reset địa chỉ MA0-MA13 và RA0-RA4 và cho phép lối ra VS (Vertical Synchronization) phát ra tín hiệu quét ngược cùng tín hiệu đồng bộ dọc. Mỗi ký tự có chiều cao cực đại ứng với 32 dòng vì có 5 đường địa chỉ RA0-RA4, còn bộ nhớ video trong trường hợp này được tới 16K từ vì có địa chỉ MA0-MA13 là 14 bit. Trong chế độ đồ họa, chúng kết hợp với nhau để tạo thành địa chỉ 19 bit, lúc đó 6845 có thể định địa chỉ cho bộ nhớ video lên tới 512K từ. Trong trường hợp này, các byte trong RAM video không được dịch thành mã ký tự và thuộc tính nữa mà trực tiếp xác định cường độ sáng và màu của điểm ảnh. Đa số các RAM video được chia thành vài băng được định địa chỉ bởi RA0-RA4. Các đường MA0-MA13 sẽ định địa chỉ offset bên trong mỗi băng. Dữ liệu trong RAM video lúc này được trực tiếp truyền tới thanh ghi dịch và máy phát tín hiệu. ROM ký tự và máy phát ký tự không làm việc. RAM video được tổ chức khác nhau tuỳ theo chế độ hoạt động và bản mạch ghép nối. Thí dụ, với RAM video 128 KB, có thể địa chỉ hóa toàn bộ bộ nhớ màn hình qua CPU như bộ nhớ chính. Nhưng nếu kích thước RAM video lớn hơn thì làm như vậy sẽ đè lên vùng ROM mở rộng ở điạ chỉ C0000h. Do đó, card EGA và VGA với trên 128 KB nhớ được tăng cường thêm 1 chuyển mạch mềm (soft-switch) cho phép thâm nhập các cửa sổ Phạm Hùng Kim Khánh Trang 58
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 128 KB khác nhau vào RAM video lớn hơn nhiều. Các chuyển mạch này được quy định bởi riêng các nhà sản xuất board mạch. 3.2. Chế độ văn bản RAM video được coi như một dãy từ tuyến tính, từ đầu tiên được gán cho ký tự góc trên tận cùng bên trái màn hình gọi là hàng 1 cột 1. Từ thứ 2 là hàng 1, cột 2, . Số từ tuỳ thuộc vào độ phân giải của kiểu hiện ký tự. Thí dụ: độ phân giải chuẩn 25 hàng, 80 ký tự đòi hỏi 2000 từ nhớ 2 byte. Như vậy, tổng cộng cần 4 KB bộ nhớ RAM video. Trong khi đó với card có độ phân giải cao SVGA 60 hàng, 132 ký tự cần đến 15840 byte. Do đó RAM video thường được chia thành vài trang. Kích thước của mỗi trang tuỳ thuộc vào chế độ hiện của màn hình và số trang cực đại, phụ thuộc cả vào kích thước của RAM video. 6845 có thể được lập trình sao cho địa chỉ khởi phát của MA0-MA13 sau quét ngược dọc là khác 00h. Nếu địa chỉ khởi phát là bắt đầu của 1 trang thì có thể quản lý RAM video theo vài trang tách biệt nhau, nếu CPU thay đổi nội dung của 1 trang mà trang đó hiện đang không hiện thì màn hình cũng không thay đổi. Do đó, cần phân biệt trang nhớ đang được kích hoạt (đang hiện) và trang đang được xử lý. Đoạn chương trình ghi ký tự 'A' có cường độ sáng cao vào góc trên bên trái với màu số 7 và màu nền số 0. Trang thứ nhất và là duy nhất bắt đầu ở địa chỉ B0000h. MOV AX, 0B000h MOV ES, AX MOV AH, 0F8h MOV AL, 41h MOV ES:[00H],AX 3.3. Chế độ đồ hoạ Tổ chức trong chế độ này phức tạp hơn. Ví dụ: với card Hercules, RAM video được chia thành 4 băng trên 1 trang . Băng thứ nhất: đảm bảo các điểm ảnh cho các dòng 0, 4, 8, , 344; băng thứ hai cho các dòng 1, 5, 9, , 345; băng thứ 3 cho các dòng 2, 6, 10, ., 346; và băng thứ 4 cho các dòng 3, 7, 11, , 347. 64 KB được chia thành 2 trang 32 KB. Độ phân giải trong chế độ đồ họa là 720 x 348 điểm ảnh, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 1 bit. Do vậy, một dòng cần 90 byte (720 điểm ảnh / 8 điểm ảnh trên 1 byte). Địa chỉ của byte chứa điểm ảnh thuộc đường i và cột j trong trang k là: B0000h+8000h*k+2000h*(i mod 4)+ 90*int(i/4)+int(j/8) B0000h là đoạn video, 8000h là kích thước của trang, 2000h*(i mod 4) là offset của băng chứa byte đó, 90*int(i/4) là offset của dòng i trong băng và int(j/8) là offset của cột j trong băng. 3.4. Truy xuất màn hình qua DOS và BIOS 3.4.1. Truy xuất qua DOS Các hàm của int 21h có thể hiện các ký tự trên màn hình nhưng không can thiệp được vào màu: - Hàm 02h: ra màn hình. - Hàm 09h: ra một chuỗi. - Hàm 40h: ghi file/ thiết bị Phạm Hùng Kim Khánh Trang 59
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 Các lệnh copy, type và print trong command.com cho phép hiện text trên màn hình. DOS gộp chung bàn phím và monitor thành 1 thiết bị mang tên CON (console). Ghi CON là truyền số liệu tới monitor, còn đọc CON là nhận ký tự từ bàn phím. Ví dụ: để hiện nội dung của file output.txt lên màn hình của monitor sẽ có các cách sau: - copy output.txt con - type output.txt > con - print output.txt /D:con 3.4.2. Truy xuất qua BIOS BIOS thâm nhập monitor bằng int 10h với nhiều chức năng hơn DOS, như đặt chế độ hiện hình, quản lý tự động các trang, phân biệt các điểm trên màn hình nhờ các tọa độ, - Hàm 00h: định chế độ đồ hoạ: Vào: AL = chế độ Mode Type Max Colors Size Resolution Max Pages Base Addr 00 Text 16 40x25 - - 8 B8000h 01 Text 16 40x25 - - 8 B8000h 02 Text 16 80x25 - - 4,8 B8000h 03 Text 16 80x25 - - 4,8 B8000h 04 Graphics 4 40x25 320x200 1 B8000h 05 Graphics 4 40x25 320x200 1 B8000h 06 Graphics 2 80x25 640x200 1 B8000h 07 Text Mono 80x25 - - 1,8 B0000h 08 Graphics 16 20x25 ? ? 1 B0000h 09 Graphics 16 40x25 ? ? 1 B0000h 0A Graphics 4 80x25 ? ? 1 B0000h 0B - - - - - - - - - - 0C - - - - - - - - - - 0D Graphics 16 40x25 320x200 8 A0000h 0E Graphics 16 80x25 640x200 4 A0000h 0F Graphics Mono 80x25 640x350 2 A0000h 10 Graphics 16 80x25 640x350 2 A0000h 11 Graphics 2 80x25 640x480 1 A0000h 12 Graphics 16 80x25 640x480 1 A0000h 13 Graphics 256 40x25 320x200 1 A0000h - Hàm 01h: xác định hình dạng con trỏ Vào: 0 1 2 7 Đầu = 0 Đầu = 0 Đầu = 6 Đầu = 7 Cuối = 7 Cuối = 1 Cuối = 7 Cuối = 0 Phạm Hùng Kim Khánh Trang 60
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 CH = dòng đầu con trỏ CL = dòng cuối con trỏ - Hàm 02h: xác định vị trí con trỏ Vào: DH = hàng, DL = cột (bắt đầu từ toạ độ 0,0) BH = trang (= 0 trong chế độ đồ hoạ) - Hàm 03h: lấy vị trí và hình dạng con trỏ Vào: BH = trang Ra: DH = hàng, DL = cột CH, CL = tham số xác định hình dạng con trỏ - Hàm 05h: chọn trang màn hình AL = số trang (0 7) - Hàm 06h: cuộn cửa sổ lên Vào: AL = số hàng cuộn (= 0: cuộn toàn màn hình) BH = thuộc tính các hàng trống xuất hiện khi cuộn CH, CL = hàng, cột của góc phía trên bên trái DH, DL = hàng, cột của góc phía dưới bên phải - Hàm 07h: cuộn cửa sổ xuống Giống hàm 06h - Hàm 08h: đọc ký tự và thuộc tính ký tự tại vị trí con trỏ Vào: BH = trang Ra: AH = thuộc tính AL = mã ASCII - Hàm 09h: ghi ký tự và thuộc tính ký tự tại vị trí con trỏ Vào: BH = trang BL = thuộc tính (theo bảng trang 61) AL = mã ASCII CX = số ký tự cần xuất Phạm Hùng Kim Khánh Trang 61
Tài liệu Lập trình hệ thống Chương 3 - Hàm 0Ah: ghi ký tự tại vị trí con trỏ Vào: BH = trang AL = mã ASCII CX = số ký tự cần xuất - Hàm 0Bh: chọn bảng màu (dùng cho chế độ đồ hoạ) Vào: BH = 0, BL = chọn màu nền (theo bảng trang 61) BH = 1, BL = số bảng màu Palette Pixel Color Palette Pixel Color 0 0 Black 1 0 Black 0 1 Green 1 1 Cyan 0 2 Red 1 2 Magenta 0 3 Brown 1 3 White - Hàm 0Ch: hiện một điểm trên màn hình (dùng cho chế độ đồ hoạ) AL = giá trị pixel (0 – 3), nếu AL.7 = 1 thì giá trị màu là phép toán XOR vứi giá trị màu hiện hành CX = cột, DX = hàng - Hàm 0Dh: đọc một điểm trên màn hình (dùng cho chế độ đồ hoạ) Vào: CX = cột, DX = hàng Ra: AL = giá trị pixel - Hàm 0Fh: xác định chế độ màn hình hiện hành Ra: AL = chế độ AH = số cột BH = số trang - Hàm 13h: xuất chuỗi Vào: AL = chế độ xuất (bit0 = 1: cập nhật vị trí con trỏ sau khi xuất, bit1 = 1: chuỗi có chứa thuộc tính ký tự) BH = trang BL = thuộc tính (theo bảng trang 61) CX = số ký tự cần xuất CX = số ký tự cần xuất DH, DL = hàng, cột xuất chuỗi Phạm Hùng Kim Khánh Trang 62