Интерфейсы переферийных устройств

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

 

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРЕНИЯ  И ИНФОРМАТИКИ»

 

Кафедра ИТ-4 «Информационные  технологии»

 

 

 

 

 РЕФЕРАТ

 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

 

Тема:  ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРЕФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ.

 

 

 

 

                                                                       Проверил:  ___________.

 

                                                            Сдал: Истомин А.Д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2012

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Периферийные устройства связывают  компьютер с внешним миром, осуществляя  ввод и вывод информации. Эффективность  использования вычислительной системы в целом в значительной степени зависит от эффективности функционирования “периферии”.

Ассемблер является одним из самых старых из существующих на сегодня языков. Когда-то это был основной язык, но со временем появились более удобные средства общения с компьютером. Тем не менее язык не стал «мертвым» языком. Ассемблер, по словам В.Ю. Пирогова, – “это язык процессора и, следовательно, он будет нужен до тех пор, пока будут существовать процессоры” [11]. Являясь, по сути, символическим представлением машинного языка, Ассемблер позволяет в случае необходимости разрабатывать высокоэффективные программы, решая проблемы, связанные, в частности, с аппаратурой компьютера. Особенно ценен он в особых случаях, когда существуют жесткие ограничения на использование памяти или программа “критична” по времени.

Общепризнано, что в базовой подготовке программистов в качестве фундамента выступают знания принципов работы компьютера, его архитектуры и языка Ассемблер [15].

Целью данной работы является ознакомление с основными приемами программирования на Ассемблере периферийных устройств компьютера. Данная работа содержит теоретические сведения и подробно прокомментированные примеры использования языка Ассемблер при программировании работы клавиатуры, мыши, аудио- и видеосистем, дисков, а также для работы с файлами. При необходимости получения более подробной информации по каждому из затронутых вопросов можно обратиться к литературным источникам, ссылки на которые приводятся по мере изложения материала.

 

Теоретические сведения

 

Скан-код клавиши или комбинации клавиш - это номер, идентифицирующий их положение на клавиатуре (таблицы 1.1 и 1.2). Размер скан-кода - 1 байт.

Система представления символов в персональных компьютерах базируется на Американском стандартном коде для обмена информацией ASCII (American Standard Code for Information Interchange), включающем управляющие символы, используемые в коммуникационных протоколах для передачи команд периферийным устройствам (таблица 1.3), символы пишущей машинки – цифры, буквы и специальные знаки - и символы псевдографики (таблица 1.4). Размер ASCII-кода - 1 байт.

ASCII-код не связан напрямую со скан-кодом, так как одной и той же клавише могут соответствовать несколько символов - значений кода ASCII.

Расширенный код вырабатывается при нажатии функциональных клавиш и комбинаций управляющих и символьных клавиш, которые не имеют представляющего их символа ASCII [4, 5]. Он имеет размер 2 байта, при этом первый байт всегда ASCII-0 (null), а второй байт содержит соответствующий скан-код (см. таблицу 1.2).

Клавиатура - основное устройство ввода. Это совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих электрическую цепь. Клавиатура имеет программируемый контроллер i8042. Его функции состоят в приеме скан-кодов от клавиатуры и управлении ее состоянием. Интерпретацией скан-кода занимается основной процессор.

 

Таблица 1.1 – Скан-коды для клавиш алфавитно-цифровой группы [8]

Скан-код клавиши	Символ в режиме		Скан-код клавиши	Символ в режиме
	латинском	русском		латинском	русском
01h	Esc		1Eh	A a	Ф ф
02h	1 !	1 !	1Fh	S s	Ы ы
03h	2 @	2 «	20h	D d	В в
04h	3 #	3 №	21h	F f	А а
05h	4 $	4 ;	22h	G g	П п
06h	5 %	5 %	23h	H h	Р р
07h	6 ^	6 :	24h	J j	О о
08h	7 &	7 ?	25h	K k	Л л
09h	8 *	8 *	26h	L l	Д д
0Ah	9 (	9 (	27h	: ;	Ж ж
0Bh	0 )	0 )	28h	“ ‘	Э э
0Ch	- _		29h	` ~	Ë ё
0Dh	= +		2Ah	Shift Left
0Eh	BackSpace		2Bh	| \	/ \
0Fh	Tab		2Ch	Z z	Я я
10h	Q q	Й й	2Dh	X x	Ч ч
11h	W w	Ц ц	2Eh	C c	С с
12h	E e	У у	2Fh	V v	М м
13h	R r	К к	30h	B b	И и
14h	T t	Е е	31h	N n	Т т
15h	Y y	Н н	32h	M m	Ь ь
16h	U u	Г г	33h	< ,	Б б
17h	I i	Ш ш	34h	> .	Ю ю
18h	O o	Щ щ	35h	? /	, .
19h	P p	З з	36h	Shift Right
1Ah	{ [	Х х	38h	Alt
1Bh	} ]	Ъ ъ	39h	Пробел
1Ch	Enter		3Ah	CapsLock
1Dh	Ctrl

 

Таблица 1.2 – Скан-коды для клавиш функциональной, дополнительной и цифровой групп, а также для  комбинаций клавиш [8]

Скан-код	Клавиша или комбинация клавиш	Скан-код	Клавиша или комбинация клавиш	Скан-код	Клавиша или комбинация клавиш
3Bh	F1	54h	Shift+F1	72h	PrintScreen
3Ch	F2	55h	Shift+F2	46h	Scroll Lock
3Dh	F3	56h	Shift+F3	45h	Num Lock
3Eh	F4	57h	Shift+F4	37h	[*]
3Fh	F5	58h	Shift+F5	4Ah	[-]
40h	F6	59h	Shift+F6	4Eh	[+]
41h	F7	5Ah	Shift+F7	52h	Insert [Ins, 0]
42h	F8	5Bh	Shift+F8	53h	Delete [Del, .]
43h	F9	5Ch	Shift+F9	47h	Home [7]
44h	F10	5Dh	Shift+F10	4Fh	End [1]
85h	F11	87h	Shift+F11	49h	PgUp [9]
86h	F12	88h	Shift+F12	51h	PgDn [3]
68h	Alt+F1	5Eh	Ctrl+F1	48h	↑ [8]
69h	Alt+F2	5Fh	Ctrl+F2	4Bh	← [4]
6Ah	Alt+F3	60h	Ctrl+F3	50h	↓ [2]
6Bh	Alt+F4	61h	Ctrl+F4	4Dh	→ [6]
6Ch	Alt+F5	62h	Ctrl+F5	4Ch	[5]
6Dh	Alt+F6	63h	Ctrl+F6	73h	Ctrl+←
6Eh	Alt+F7	64h	Ctrl+F7	74h	Ctrl+→
6Fh	Alt+F8	65h	Ctrl+F8	75h	Ctrl+End
70h	Alt+F9	66h	Ctrl+F9	77h	Ctrl+Home
71h	Alt+F10	67h	Ctrl+F10	1Ch	Ctrl+PgUp
8Bh	Alt+F11	89h	Ctrl+F11	5Fh	Ctrl+PgDn
8Ch	Alt+F12	8Ah	Ctrl+F12
78h	Alt+1	7Ch	Alt+5	80h	Alt+9
79h	Alt+2	7Dh	Alt+6	81h	Alt+0
7Ah	Alt+3	7Eh	Alt+7
7Bh	Alt+4	7Fh	Alt+8

Примечание – Символ в квадратных скобках соответствует клавишам на цифровой клавиатуре.

 

 

Таблица 1.3 - Управляющие символы ASCII [8]

DEC	HEX	Имя	Назначение	DEC	HEX	Имя	Назначение
0	00	NUL	Нулевой ( пустой ) символ	16	10	DLE	Завершение сеанса связи
1	01	SOH	Начало заголовка	17	11	DC1	Управление устройством 1
2	02	STX	Начало текста	18	12	DC2	Управление устройством 2
3	03	ETX	Конец текста	19	13	DC3	Управление устройством 3
4	04	EOT	Конец передачи	20	14	DC4	Управление устройством 4
5	05	ENQ	Запрос подтверждения	21	15	NAK	Ошибка передачи
6	06	ACK	Подтверждение (квитирование )	22	16	SYN	Холостой ход передатчика
7	07	BEL	Звонок	23	17	ETB	Конец передачи блока
8	08	BS	Шаг назад ( возврат на одну позицию)	24	18	CAN	Отмена
9	09	HT	Горизонтальная табуляция (TAB )	25	19	EM	Конец носителя данных
10	0A	LF	Перевод строки	26	1A	SUB	Подстановка (замена символа)
11	0B	VT	Вертикальная табуляция	27	1B	ESC	Переход ( посылка сложной команды)
12	0C	FF	Перевод страницы	28	1C	FS	Разделитель файлов
13	0D	CR	Возврат каретки (ENTER)	29	1D	GS	Разделитель групп
14	0E	SO	Переход на нижний регистр	30	1E	RS	Разделитель записей
15	0F	SI	Переход на верхний регистр	31	1F	US	Разделитель полей
				127	7F	DEL	Удаление символа

 

 

Таблица 1.4 - Символы ASCII

dec

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

hex

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

A

B

C

D

E

F

0

0

nul

☺

☻

♥

♦

♣

♠

●

◘

○

◙

♂

♀

♪

♫

☼

16

1

►

◄

↕

‼

¶

§

▬

↨

↑

↓

→

←

∟

↔

▲

▼

32

2

пробел

!

"

#

$

%

&

'

(

)

*

+

,

-

.

/

48

3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

:

;

<

=

>

?

64

4

@

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

80

5

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

[

\

]

^

_

96

6

`

a

b

c

d

e

f

g

h

i

j

k

l

m

n

o

112

7

p

q

r

s

t

u

v

w

x

y

z

{

¦

}

~

⌂

128

8

А

Б

В

Г

Д

Е

Ж

З

И

Й

К

Л

М

Н

О

П

144

9

Р

С

Т

У

Ф

Х

Ц

Ч

Ш

Щ

Ъ

Ы

Ь

Э

Ю

Я

160

A

а

б

в

г

д

е

ж

з

и

й

к

л

м

н

о

п

176

B

░

▒

▓

│

┤

╡

╢

╖

╕

╣

║

╗

╝

╜

╛

┐

192

C

└

┴

┬

├

─

┼

╞

╟

╚

╔

╩

╦

╠

═

╬

╧

206

D

╨

╤

╥

╙

╘

╒

╓

╫

╪

┘

┌

█

▄

▌

▐

▀

224

E

р

с

т

у

ф

х

ц

ч

ш

щ

ъ

ы

ь

э

ю

я

240

F

Ё

ё

Є

є

Ϊ

ї

Ў

ў

°

•

∙

√

№

¤

■

Примечания

1 В 16-ричной системе счисления номера строк (столбец hex) соответствуют первой цифре в коде символа, столбцов (строка hex) – второй. Например, код большой латинской буквы А – 41h.

2 Для получения кода в 10-тичной системе счисления следует к соответствующей величине из столбца dec прибавить число из строки dec. Таким образом, код большой латинской буквы А: 64+1=65.

 

Контроллер связан с процессором 8-битной шиной данных и двумя 8-битными  портами: ввода и вывода (таблица 1.5).

 

 

Таблица 1.5 - Регистры контроллера  клавиатуры [8]

Порт	Режим работы	Назначение
60h	Чтение / Запись	Регистр данных / команд
64h	Чтение	Регистр состояния Бит 7 – ошибка четности Бит 6 – тайм-аут приемника/общий  тайм-аут Бит 5 – тайм-аут передатчика Бит 4 – состояние «замка» клавиатуры Бит 3 – признак записи команды / данных Бит 2 – признак типа последнего общесистемного сброса Бит 1 – признак наличия данных во входном буфере:  0 - входной буфер свободен (готовность к приему команды / данных)  1 - входной буфер полон Бит 0 – признак наличия данных в выходном буфере:  0 - выходной буфер свободен 1 - выходной буфер полон

 

Схема программирования контроллера клавиатуры

а) Запрет прерывания

CLI

б) Ожидание готовности контроллера к приему команды / данных

xor CX, CX   ; CX - счетчик количества повторений цикла

 выход по счетчику более  чем через 65 тысяч повторов

wait1: in AL, 64h   ; чтение регистра состояния

test AL, 00000010b  ; анализ бита №1 - входной буфер свободен?

loopnz wait1 ; если бит №1 не нуль (буфер не освободился ) и CX≠0,

 ; переход на метку wait1

jnz err   ; анализ причины выхода из цикла:

; если бит №1 не нуль (буфер так и не освободился),

;переход на метку err

 ………

err: ……   ; действия при ошибке

в) Отправка команды

mov AL, <команда>

out 60h, AL

г) Если в команде больше одного байта или нужно дополнительно передать параметры, то необходимо:

дождаться готовности контроллера к приему (повторить п. б), так как входной буфер может быть занят отправленной командой;

отправить следующий байт (аналогично п. в).

д) Разрешение прерываний

STI

Некоторые команды контроллера клавиатуры

Команда EDh. Управление светодиодами (индикаторами состояния) клавиатуры

Позволяет включать и отключать  светодиоды CapsLock, NumLock и ScrollLock. Команда двухбайтная – следующий за кодом команды байт имеет формат:

Бит	7	6	5	4	3	2	1	0
Содержимое	0	0	0	0	0	CapsLock	NumLock	ScrollLock

=1 - включить

=0 - выключить

компьютер периферийный программирование ассемблер

Команда EEh. Эхо-диагностика.

В ответ микропроцессор выдает код EEh. Используется при возникновении ошибок в работе клавиатуры.

Прочие команды подробно описаны в литературе [8, 11].

Два байта состояния клавиатуры записываются в область данных BIOS по адресам 0000h:0417h (0040h:0017h) и 0000h:0418h (0040h:0018h) [6]. В таблице 1.6 представлены форматы указанных байтов.

Таблица 1.6 - Форматы байтов состояния клавиатуры

Бит №	Формат байта
	0000h:0417h	0000h:0418h
	Если бит=1, нажата клавиша (включен режим):
0	Shift правая	Ctrl левая
1	Shift левая	Alt левая
2	Ctrl любая	Ctrl правая
3	Alt любая	Alt правая
4	ScrollLock	ScrollLock
5	NumLock	NumLock
6	CapsLock	CapsLock
7	Insert	SysReq

 

ПРИМЕР Протестировать состояние индикатора NumLock.

Comment * Чтобы прочитать байт состояния, необходимо в команде указать его полный адрес 0000h:0417h, так как по умолчанию данные сегментируются по регистру DS, что по условию задачи неприемлемо. В связи с ограничениями, налагаемыми командой mov на типы операндов, пересылка нуля в сегментный регистр ES выполняется за несколько шагов*

xor AX, AX  ; 0 à AX

mov ES, AX;  ; AX à ES , т.е. 0 à ES

mov AL, ES:[417h]   ; в AL – байт состояния

test AL, 100000b  ; анализ бита № 5

jz net ; если бит = 0 (NumLock выключен), переход на метку net

; иначе (NumLock включен) – переход на следующую команду

 …………  ; действия, если NumLock включен

net:………….    ; действия, если NumLock выключен

Основное назначение прерывания BIOS INT 16h – работа с буфером и байтами состояния клавиатуры. Буфер клавиатуры – это кольцевой буфер, используемый для хранения кодов пятнадцати введенных символов. Ряд функций INT 16h представлен в таблице 1.7.

 

Таблица 1.7 – Функции BIOS - прерывание INT 16h

Вход	Назначение	Выход	Примечание
AH = 0h1)	1. Ждать нажатия клавиши (если буфер клавиатуры пуст) 2. Прочитать код введенного символа  и удалить его из буфера клавиатуры	AL - ASCII-код введен- ного символа AH - скан-код или AL = 0 AH - скан-код	Введенный символ не отображается
ПРИМЕР При нажатии клавиши СТРЕЛКА-ВЛЕВО (расширенный код 0:4Bh) перейти на метку strela, иначе - на метку nestrela. mov ah, 0 int 16h : вызов функции 0 прерывания 16h cmp al, 0 ; al=0? (это расширенный код?) jne nestrela ; если AL ¹ 0 à на nestrela ; если AL = 0 (код расширенный) – переход на следующую команду cmp ah, 4Bh ; второй байт кода = 4Bh? (это СТРЕЛКА-ВЛЕВО?) jne nestrela ; если AH ¹ 4Bh à на nestrela, ; иначе à на следующую команду strela: ……….….   nestrela: ………….
AH = 1h2)	Проверка наличия символа в  буфере клавиатуры (символ не удаляется из буфера)	Если символ есть: ZF = 0 AL и AH – как у функции 0h Если символа нет: ZF = 1
AH = 2h3)	Получить состояние переключающих  клавиш	AL - байт состояния переключающих клавиш (совпадает с байтом 0000h:0417h)
ПРИМЕР Протестировать состояние индикатора NumLock mov ah,2 int 16h   ; в AL - байт состояния test al, 100000b  ; анализ бита № 5 jz net ; если бит =0 (NumLock выключен), переход на метку net ; иначе (NumLock включен) – переход на следующую команду  …………; действия, если NumLock включен net:………. ; действия, если NumLock выключен

Примечания - Обрабатывает только комбинации, использующие клавиши 84-клавишной клавиатуры. Для 101/105-клавишных и 122-клавишных клавиатур применяются соответственно функции:

1) 10h, 20h

2) 11h, 21h

3) 12h, 22h

 

Подробнее о специальных функциях, обслуживающих расширенные клавиатуры, - в [8].

Клавиатурные функции MS DOS работают со стандартными устройствами ввода-вывода (таблица 1.8).

 

Таблица 1.8 – Некоторые функции прерывания INT 21h

Вход		Назначение		Выход	Примечание
Функции ввода
АН = 1h		1. Ждать нажатия клавиши. 2. Прочитать код введенного символа		AL - ASCII-код символа Если AL=0 (признак символа с расширенным кодом), вызвать вторично для получения скан-кода	Функции отличаются по признаку «Эхо» и реакции на нажатие Ctrl-Break: Функция ЭХО Ctrl-Break 1h + + 7h - - 8h - +
АН = 7h
АН = 8h
ПРИМЕР При нажатии клавиши СТРЕЛКА-ВЛЕВО (расширенный код 0:4Bh) перейти на метку strela, иначе на метку nestrela. mov ah, 1 int 21h : вызов функции 1 прерывания 21h cmp al, 0 ; al=0? (это расширенный код?) jne nestrela ; если AL ¹ 0 à на nestrela ; если AL = 0 (код расширенный) – переход на следующую команду Int 21h ; вторичный вызов, в AL второй байт cmp al, 4Bh ; второй байт кода = 4Bh? (это СТРЕЛКА-ВЛЕВО?) jne nestrela ; если AH ¹ 4Bh à на nestrela, ; иначе (это СТРЕЛКА-ВЛЕВО!!!)à на следующую команду strela: ………. ……….. nestrela: …………..
АН =Аh DX – начальный адрес буфера памяти, куда будет записана строка			Чтение строки в память		Структура буфера памяти: 1-й байт – максимальная длина строки, включая ENTER, - указывает программист 2-й байт – фактическая длина (без ENTER) – заполняет система после ввода строки с 3-го байта – сама строка
АН =Bh			Чтение состояния клавиатуры		AL = FFh – буфер пуст AL = 0 – буфер не пуст
Функции вывода
АН =2h DL – код символа	Вывод символа			AL - код последнего записанного символа (исключение: если DL=9 - табуляция, то AL=20h) [6]	Функции отличаются по реакции на нажатие Ctrl-Break: Функция Ctrl-Break 2h + 6h -
АН =6h DL – код символа
АН =9h DX – начальный адрес строки (в конце строки - $)	Вывод строки			AL-код последнего символа - $ (AL=24h) [6]

Примечание – Многие функции  модифицируют содержимое регистра AL, что необходимо учитывать при использовании в программе прерывания INT 21h

 

Пример

Формулировка задачи.

Разработать программу, которая предлагает пользователю нажать клавишу либо сочетание клавиш, после чего анализирует сложившуюся ситуацию и выполняет следующие действия:

- если введен символ w, включается индикатор CapsLock, индикаторы NumLock и ScrollLock отключаются, после чего программа завершается;

- при вводе сочетания CTRL+F1 пользователю предлагается дополнительно ввести любой символ отдельно либо в сочетании с левой клавишей SHIFT, после чего выводится сообщение «Левая клавиша SHIFT была (не была) нажата» и программа завершает работу;

- если введен любой не указанный выше символ, программа выводит слово «КОНЕЦ» и завершает работу.

Постановка задачи

Программа должна состоять из блоков, выполняющих функции:

- вывод приглашения к нажатию любой клавиши;

- ввод символа с помощью прерывания INT 21h и его идентификация;

- выполнение действий в зависимости от того, какой символ введен:

если w - работа с индикаторами клавиатуры (блок 1);

если Ctrl+F1 - предлагается ввести любой символ отдельно либо в сочетании с левой клавишей SHIFT; после анализа ситуации выводится сообщение «Левая клавиша SHIFT была (не была) нажата» (блок 2);

если любой другой символ, выводится  сообщение «Конец»;

- задержка до нажатия любой клавиши (используется прерывание INT 16h) перед выходом из программы для того, чтобы пользователь имел возможность прочитать сообщение, и завершение работы программы.

Конкретизация работы блоков

Блок 1 - реализация алгоритма программирования контроллера клавиатуры.

Блок 2:

- вывод приглашения к нажатию клавиши Shift отдельно либо в сочетании с любой другой;

 - получение байта состояния клавиатуры с адресом 0000h:0417h (обращением к памяти);

 - тестирование бита № 1, который отслеживает текущее состояние левой клавиши SHIFT, и вывод соответствующего сообщения.

Листинг программы

model small

.stack 100h

.data

Press  db 10, 13, 'Нажмите любую клавишу $'

PressShift db 10, 13, 'Нажмите клавишу отдельно либо с левым Shift$'

ShiftDa db 10, 13, 'Левый Shift был нажат$'

ShiftNet db 10, 13, 'Левый Shift не был нажат$'

konec  db 10, 13, 'Конец','$'