Прерывания в процессорах 65xx - Interrupts in 65xx processors

"BRK" перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. BRK (значения).

Семейство 65xx микропроцессоры, состоящий из Технология MOS 6502 и его производные, WDC 65C02, WDC 65C802 и WDC 65C816, и CSG 65CE02, все ручки прерывает аналогичным образом. Есть три аппаратное прерывание сигналы общие для всех процессоров 65xx и один программное прерывание, то BRK инструкция. WDC 65C816 добавляет четвертое аппаратное прерывание -ABORT, полезно для реализации архитектур виртуальной памяти, а также КС инструкция программного прерывания (также присутствует в 65C802), предназначенная для использования в системе с сопроцессор некоторого типа (например, процессор с плавающей запятой ).[1][2]

Типы прерываний

65xx вектор прерывания локации[2][3]
ПрерыватьВектор (шестнадцатеричный)
LSBMSB
ABORT[nb 1]FFF8FFF9
КС[nb 2]FFF4FFF5
IRQ/BRKFFFEFFFF
НМИFFFAFFFB
ПЕРЕЗАГРУЗИТЬFFFCFFFD

Все сигналы аппаратного прерывания имеют низкий активный уровень и следующие:[1]

ПЕРЕЗАГРУЗИТЬ
а сигнал сброса, срабатывание уровня
НМИ
а немаскируемое прерывание, срабатывающий по краю
IRQ
а маскируемое прерывание, срабатывает по уровню
ABORT
специальное немаскируемое прерывание (только 65C816, см. ниже), запускаемое по уровню

Обнаружение ПЕРЕЗАГРУЗИТЬ сигнал заставляет процессор войти в период инициализации системы, равный шести тактовым циклам, после чего он устанавливает флаг отключения запроса прерывания в регистр статуса и загружает счетчик команд со значениями, хранящимися в векторе инициализации процессора ($ 00FFFC–$ 00FFFD) перед началом исполнения.[1] При работе в основном режиме 65C816 / 65C802 переключаются обратно в режим эмуляции и остаются там до тех пор, пока не вернутся в основной режим под управлением программного обеспечения.

Расположение векторов прерывания в основном режиме 65C816 / 65C802[2]
ПрерыватьВектор (шестнадцатеричный)
LSBMSB
ABORT[nb 1]00FFE800FFE9
BRK00FFE600FFE7
КС[nb 2]00FFE400FFE5
IRQ00FFEE00FFEF
НМИ00FFEA00FFEB
ПЕРЕЗАГРУЗИТЬНикто[№ 3]

Обнаружение НМИ или же IRQ сигнал, а также выполнение BRK инструкция вызовет ту же общую последовательность событий, которые в следующем порядке:[1][3]

  1. Процессор завершает текущую инструкцию и обновляет регистры или память по мере необходимости перед тем, как ответить на прерывание.
  2. 65C816 / 65C802 при работе в собственном режиме: регистр банка программ (PB, то A16-A23 часть адресная шина ) выталкивается на аппаратный стек.
  3. Старший байт (MSB) счетчика программы (ПК) помещается в стек.
  4. Младший значащий байт (LSB) программного счетчика помещается в стек.
  5. Регистр состояния (SR) помещается в стек.
  6. Флаг запрета прерывания устанавливается в регистре состояния.
  7. 65C816 / 65C802: PB загружен $00.
  8. ПК загружается из соответствующего вектора (см. таблицы).

Поведение 65C816 при ABORT Утверждается, что отличается в некоторых отношениях от приведенного выше описания и отдельно обсуждается ниже.

Обратите внимание, что процессор не нажимает аккумулятор и индексные регистры в стек - код в обработчике прерывания должен выполнять эту задачу, а также восстанавливать регистры при завершении обработки прерывания, если это необходимо. Также обратите внимание, что вектор для IRQ то же самое, что и для BRK во всех восьмибитных процессорах 65xx, а также в 65C802 / 65C816 при работе в режиме эмуляции. При работе в основном режиме 65C802 / 65C816 предоставляют отдельные векторы для IRQ и BRK.[4]

Когда установлен, флаг отключения запроса прерывания ( я бит в регистре состояния) отключит обнаружение IRQ сигнал, но никак не повлияет на другие прерывания (однако см. ниже раздел на WAI инструкция реализована в процессорах WDC CMOS). Кроме того, при работе 65 (c) 02 или 65C816 / 65C802 в режиме эмуляции копия регистра состояния, помещенная в стек, будет иметь B флаг установлен, если BRK (программное прерывание ) был причиной прерывания или сбрасывался, если IRQ была причина.[№ 4] Следовательно, подпрограмма обслуживания прерывания должна получить копию сохраненного регистра состояния, откуда он был помещен в стек, и проверить состояние регистра. B флаг, чтобы различать IRQ и BRK.[1][2][4] Это требование устраняется при работе 65C802 / 65C816 в основном режиме из-за отдельных векторов для двух типов прерываний.[2]

ABORT прерывать

65C816's ABORTB вход прерывания предназначен для предоставления средств перенаправления выполнения программы при обнаружении аппаратного исключения, такого как ошибка страницы или нарушение доступа к памяти. Отсюда реакция процессора, когда ABORTB ввод утвержден (отвергнут) отличается от того, когда IRQB и / или НМИБ утверждаются. Кроме того, достижение правильной работы в ответ на ABORTB требует, чтобы прерывание происходило в нужное время во время машинный цикл, тогда как для IRQB или же НМИБ.

Когда ABORTB утверждается во время допустимого цикла памяти, то есть когда процессор подтвердил VDA и / или VPA статусные выходы, произойдет следующая последовательность событий:[2]

  1. Процессор выполняет текущую инструкцию но никак не меняет регистры или память- результаты вычислений выполненной инструкции отбрасываются. Прерывание с прерыванием не прерывает выполнение инструкции буквально.[2]
  2. Банк программ (PB, см. выше) помещается в стек.
  3. Самый старший байт (MSB) адрес прерванной инструкции помещается в стек.
  4. Самый младший байт (LSB) адрес прерванной инструкции помещается в стек.
  5. Регистр состояния помещается в стек.
  6. Флаг запрета прерывания устанавливается в регистре состояния.
  7. PB загружен $00.
  8. Счетчик программ загружается из ABORT вектор (см. таблицы).

Поскольку адрес, помещенный в стек, является адресом прерванной инструкции, а не содержимым счетчика программы, выполнение RTI (реТурна из яnterrupt) после ABORT прерывание заставит процессор вернуться к прерванной инструкции, а не к следующей инструкции, как это было бы в случае с другими прерываниями.

Чтобы процессор правильно реагировал на прерывание, системная логика должна утверждать (отрицать) ABORTB ввод, как только действительный адрес был помещен на шину и было определено, что адрес представляет собой ошибку страницы, нарушение доступа к памяти или другую аномалию (например, попытку выполнения привилегированной инструкции). Следовательно, логика не должна утверждать ABORTB пока процессор не подтвердит VDA или же VPA сигналы. Также, ABORTB должен оставаться установленным до спада часов второй фазы, а затем немедленно освобождаться. Если эти временные ограничения не соблюдаются, сам обработчик прерывания прерывания может быть прерван, в результате чего регистры и / или память будут изменены, возможно, неопределенным образом.[2]

Аномалии прерывания

в NMOS 6502 и производные (например, 6510), одновременное утверждение линии аппаратного прерывания и выполнение BRK не было учтено в дизайне - BRK в таком случае инструкция будет проигнорирована. Также статус десятичный режим флаг в регистре состояния процессора не изменяется после любого прерывания. Такое поведение потенциально может привести к затруднению поиска ошибка в обработчик прерывания если во время прерывания включен десятичный режим. Эти аномалии были исправлены во всех CMOS версии процессора.[2]

Замечания по поводу обработчика прерываний

Хорошо продуманный и лаконичный обработчик прерываний или процедура обслуживания прерывания (ISR) не только оперативно обслуживает любое событие, вызывающее прерывание, но и будет делать это, никоим образом не мешая прерванной задаче переднего плана - ISR должна быть «прозрачной» для прерванной задачи (хотя в особых случаях могут применяться исключения) . Это означает, что ISR должен сохранять состояние микропроцессора (MPU) и не нарушать ничего в памяти, что не должно нарушать. Кроме того, ISR должна быть полностью повторно въезжающий, что означает, что если два прерывания поступают в непосредственной близости, ISR сможет возобновить обработку первого прерывания после того, как второе будет обработано. Реентерабельность достигается за счет использования только Аппаратный стек MPU для хранения.

Сохранение состояния MPU означает, что ISR должна гарантировать, что все значения, которые были в регистрах MPU во время прерывания, присутствуют при завершении ISR. Часть процесса сохранения автоматически обрабатывается MPU, когда он подтверждает прерывание, так как он помещает счетчик программ (и банк программ в 65C816 / 65C802) и регистр состояния в стек перед выполнением ISR. По завершении ISR, когда RTI команда выполняется, MPU обратит процесс. Ни один из членов семейства 65xx не помещает в стек другие регистры.[2]

В большинстве ISR регистры аккумулятора и / или индекса должны быть сохранены для обеспечения прозрачности и позже восстановлены в качестве заключительных шагов перед выполнением. RTI. В случае 65C816 / 65C802 необходимо учитывать, работает ли он в режиме эмуляции или в собственном режиме во время прерывания. В последнем случае также может потребоваться сохранить банк данных (БД) и прямая (нулевая) страница (DP), чтобы гарантировать прозрачность. Кроме того, операционная система в собственном режиме 65C816 может использовать другое расположение стека, чем прикладное программное обеспечение, что означает, что ISR должна будет сохранять и впоследствии восстанавливать указатель стека (SP). Еще больше усложняет ситуацию с 65C816 / 65C802 то, что размеры регистров накопителя и индекса могут составлять 8 или 16 бит при работе в основном режиме, что требует сохранения их размеров для последующего восстановления.[2]

Методы, с помощью которых сохраняется и восстанавливается состояние MPU в ISR, будут различаться в зависимости от различных версий семейства 65xx. Для процессоров NMOS (например, 6502, 6510, 8502 и т. Д.) Может быть только один метод, с помощью которого сохраняются регистры накопителя и индекса, поскольку только накопитель может быть помещен в стек и извлечен из него.[5] Таким образом, следующий код входа ISR является типичным:

        PHA                     ; сохранить аккумулятор        TXA        PHA                     ; сохранить X-регистр        ТЯ        PHA                     ; сохранить Y-регистр        CLD                     ; обеспечить двоичный режим, сняв десятичный флаг

В CLD инструкция необходима, потому что, как ранее отмечалось, версии NMOS 6502 не очищают D (десятичный режим) флаг в регистре состояния при возникновении прерывания.

После сохранения регистров аккумулятора и индекса ISR может использовать их по мере необходимости. Когда ISR завершит свою работу, она восстановит регистры, а затем возобновит прерванную задачу переднего плана. Опять же, типичным является следующий код NMOS:

        PLA        ВРЕМЯ                     ; восстановить Y-регистр        PLA        НАЛОГ                     ; восстановить X-регистр        PLA                     ; восстановить аккумулятор        RTI                     ; возобновить прерванную задачу

Следствие RTI инструкция - MPU вернется в десятичный режим, если это было его состояние во время прерывания.[5]

В 65C02, а 65C816 / 65C802 при работе в режиме эмуляции требуют меньше кода, так как они могут перемещать и извлекать индексные регистры без использования аккумулятора в качестве посредника.[2] Они также автоматически очищают десятичный режим перед выполнением ISR.[2] Следующее является типичным:

        PHA                     ; сохранить аккумулятор        PHX                     ; сохранить X-регистр        PHY                     ; сохранить Y-регистр

По завершении ISR обратит процесс:

        PLY                     ; восстановить Y-регистр        PLX                     ; восстановить X-регистр        PLA                     ; восстановить аккумулятор        RTI                     ; возобновить прерванную задачу

Как указывалось ранее, при работе в основном режиме 65C816 / 65C802 немного сложнее из-за размеров переменных регистров и необходимости учета БД и DP регистры. В случае индексных регистров они могут быть переданы независимо от их размеров, так как изменение размеров автоматически устанавливает самый значимый байт (MSB) в этих регистрах на ноль, и никакие данные не будут потеряны при восстановлении переданного значения, при условии, что индексные регистры имеют тот же размер, что и при нажатии.[2]

В действительности же аккумулятор состоит из двух регистров: .A и .B.[2] Перемещение аккумулятора, когда он установлен на 8 бит не буду сохранять .B,[2] что может привести к потере прозрачности, если ISR изменится .B в любом случае. Следовательно, аккумулятор всегда должен быть установлен на 16 бит, прежде чем он будет передан или извлечен, если ISR будет использовать .B. Также более эффективно установить индексные регистры на 16 бит перед их перемещением. В противном случае ISR должен затем отправить дополнительную копию регистра состояния, чтобы он мог восстановить размеры регистров до их извлечения из стека.

Для большинства ISR следующий код обеспечивает прозрачность:

        PHB                     ; сохранить текущий банк данных        КАНДИДАТ НАУК                     ; сохранить прямой указатель страницы        REP #%00110000          ; выберите 16-битные регистры        PHA                     ; сохранить аккумулятор        PHX                     ; сохранить X-регистр        PHY                     ; сохранить Y-регистр

В приведенном выше фрагменте кода символ % является Технология MOS и WDC стандарт язык ассемблера синтаксис для побитовый операнд.

Если ISR имеет собственное назначенное расположение стека, сохранение указателя стека (SP) должен появиться в памяти после того, как произошли указанные выше нажатия - должно быть очевидно, почему это так. Следующий код, добавленный к приведенной выше последовательности, справится с этим требованием:

        TSC                     ; копировать указатель стека в аккумулятор        STA stkptr              ; сохранить где-нибудь в безопасной оперативной памяти        LDA isrptr              ; получить указатель стека ISR & ...        TCS                     ; установить новое расположение стека

По завершении ISR вышеупомянутые процессы будут отменены следующим образом:

        REP #%00110000          ; выберите 16-битные регистры        TSC                     ; сохранить SP ISR ...        STA isrptr              ; для последующего использования        LDA isstkptr            ; получить SP & ...        TCS                     ; установить его        PLY                     ; восстановить Y-регистр        PLX                     ; восстановить X-регистр        PLA                     ; восстановить аккумулятор        PLD                     ; восстановить прямой указатель страницы        PLB                     ; восстановить текущий банк данных        RTI                     ; возобновить прерванную задачу

Обратите внимание, что при выполнении RTI, 65C816 / 65C802 автоматически восстановит размеры регистров до тех, которые были на момент прерывания, поскольку извлечение ранее сохраненных регистров состояния устанавливает или очищает оба бита размера регистра до тех, которые были во время прерывания.[2]

Хотя можно переключить 65C816 / 65C802 из основного режима в режим эмуляции в рамках ISR, это чревато опасностями.[2] В дополнение к принудительному использованию 8-битных регистров накопителя и индекса (что приводит к потере наиболее значимого байта в индексных регистрах), переход в режим эмуляции усечет указатель стека до 8 бит и переместит сам стек на страницу 1. баран.[2] В результате стек, который существовал во время прерывания, будет недоступен, если он также не находится в ОЗУ страницы 1 и не превышает 256 байт. В общем, переключение режима во время обслуживания прерывания не является рекомендуемой процедурой, но может быть необходимо в определенных операционных средах.

С помощью BRK и КС

Как отмечалось ранее, BRK и КС являются программными прерываниями и, как таковые, могут использоваться множеством способов для реализации системных функций.

Историческое использование BRK помог в исправлении PROM когда ошибки были обнаружены в системе прошивка. Типичный прием, часто используемый при разработке прошивки, состоял в том, чтобы BRK вектор, чтобы указать на незапрограммированную «область патча» в PROM. В случае обнаружения ошибки исправление будет выполнено путем «перегорания» всех предохранителей по адресу, по которому была обнаружена ошибочная инструкция, тем самым изменяя ее код операции к $00. После выполнения полученного BRK, MPU будет перенаправлен в область исправления, в которую будет записан подходящий код исправления. Часто код области исправления начинается с «прослушивания стека» для определения адреса, по которому обнаружена ошибка, что потенциально допускает наличие более одного исправления в PROM. Использование BRK для исправления PROM уменьшился один раз EPROM и EEPROM стали общедоступными.

Другое использование BRK в разработке программного обеспечения как отладка помощь в сочетании с монитор машинного языка. Переписав код операции на BRK ($00) и направляя BRK аппаратного вектора к точке входа в монитор, можно вызвать остановку программы в любой желаемой точке, позволяя монитору взять на себя управление. В это время можно проверить память, просмотреть значения регистров процессора, код патча и т. Д. Отладку, как рекомендуют Кукес и Томпсон, можно облегчить, обильно добавив в код NOP инструкции (код операции $ EA), который можно заменить на BRK инструкции без изменения фактического поведения отлаживаемой программы.[5][6][7]

Характеристика BRK и КС инструкций заключается в том, что процессор обрабатывает либо двухбайтовую инструкцию: сам код операции, либо следующий за ним байт, который называется «сигнатурой».[2] При исполнении BRK или же КС, процессор добавит два к счетчику программ перед тем, как поместить его в стек. Следовательно, когда RTI (реТурна из яnterrupt), прерванная программа продолжится с адреса, следующего сразу за подписью. Если BRK используется в качестве отладочного устройства, счетчик программы, возможно, придется настроить так, чтобы он указывал на подпись, чтобы выполнение продолжилось там, где ожидалось. В качестве альтернативы NOP может быть вставлен как «заполнитель» подписи, и в этом случае корректировка счетчика программы не потребуется.

Дело в том, что BRK и КС двойное увеличение счетчика программ, прежде чем помещать его в стек, упрощает технику обработки их как инструкции по вызову супервизора, как можно найти на некоторых мэйнфреймы. Обычная процедура - рассматривать подпись как служебный индекс операционной системы. Операционная система BRK или же КС обработчик извлекает значение счетчика программы, помещенного в стек, уменьшает его и считывает из полученной ячейки памяти для получения подписи.[8][9] После преобразования подписи в индекс с отсчетом от нуля простой Справочная таблица можно проконсультироваться, чтобы загрузить в счетчик программ адрес соответствующей процедуры обслуживания. По окончании процедуры обслуживания RTI инструкция будет использоваться для возврата управления программе, которая сделала вызов операционной системы. Обратите внимание, что подпись для BRK может быть любым значением, тогда как подпись для КС должен быть ограничен диапазоном $00-$ 7F.[2]

Использование BRK и / или КС запрос службы операционной системы означает, что пользовательские приложения не должны знать адрес входа каждой функции операционной системы, только правильный байт сигнатуры для вызова желаемой операции. Следовательно, перемещение операционной системы в память не нарушит совместимость с существующими пользовательскими приложениями. Также при выполнении BRK или же КС всегда направляет процессор по одному и тому же адресу, простой код может использоваться для сохранения регистров в стеке до передачи управления запрошенной службе. Однако эта модель программирования приведет к несколько более медленному выполнению по сравнению с вызовом службы как подпрограмма, в первую очередь результат активности стека, возникающей при любом прерывании. Кроме того, запросы на прерывание будут отключены путем выполнения BRK или же КС, требуя, чтобы операционная система повторно включила их.

WAI и STP инструкции

WAI (WAэто для яnterrupt, код операции $ CB) - это инструкция, доступная в версии WDC микропроцессоров (MPU) 65C02 и 65C816 / 65C802, которая останавливает MPU и помещает его в полукататонический состояние до тех пор, пока не произойдет какое-либо аппаратное прерывание.[2] Основное использование для WAI находится во встроенных системах с низким энергопотреблением, где MPU не имеет ничего общего до тех пор, пока не произойдет ожидаемое событие, требуется минимальное энергопотребление, поскольку система ожидает и требуется быстрый ответ. Типичный пример кода, использующего WAI как следует:

        SEI                     ; отключить IRQ        WAI                     ; ждать аппаратного прерывания        ; ... казнь возобновляется здесь

В приведенном выше фрагменте кода MPU остановится после выполнения WAI и перейти в состояние с очень низким энергопотреблением. Несмотря на то, что запросы прерывания (IRQ) были отключены до WAI инструкции, MPU будет реагировать на любое аппаратное прерывание во время ожидания. При получении прерывания MPU «проснется» за один такт и возобновит выполнение инструкции, следующей сразу за WAI. Следовательно задержка прерывания будет очень коротким (70 наносекунд при 14 мегагерцах), что приведет к максимально быстрой реакции на внешнее событие.

В чем-то похожи на WAI это STP (STоп, код операции $ DB), которая полностью выключает MPU в ожидании ввода единственного прерывания.[2] Когда STP выполняется, MPU останавливает свои внутренние часы (но сохраняет все данные в своих регистрах) и переходит в состояние низкого энергопотребления. MPU выводится из этого состояния путем вытягивания входного контакта сброса (RESB, который классифицируется как вход прерывания) низкий. Затем выполнение возобновится по адресу, хранящемуся в местах. $ 00FFFC- $ 00FFFD, вектор аппаратного сброса. Как и с WAI, STP предназначен для использования во встроенных приложениях с низким энергопотреблением, где между событиями, требующими внимания MPU, могут проходить длительные периоды времени, и никакой другой обработки не требуется. STP не будет использоваться в обычном программировании, так как это приведет к полному прекращению обработки.

Сноски

  1. ^ а б В ABORT вход доступен только с W65C816S.[2]
  2. ^ а б В КС инструкция доступна в обоих режимах работы.[2]
  3. ^ В 65C816 / 65C802 нет вектора прерывания в собственном режиме для ПЕРЕЗАГРУЗИТЬ сигнал, поскольку сброс всегда возвращает процессор в режим эмуляции.[2]
  4. ^ Ценность B флаг в самом регистре состояния всегда 1независимо от типа прерывания.B имеет смысл только в копии регистра состояния, которая помещается в стек в ответ на прерывание, и фактически не существует в регистре флагов.[2]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Дж. С. Андерсон (1994). Микропроцессорная технология. Баттерворт-Хайнеманн. С. 143–144. ISBN  9780750618397.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа Дэвид Айс и Рон Личти (1992-04-28). "Программирование 65816" (PDF). The Western Design Center, Inc. Архивировано с оригинал (PDF) на 2012-07-23. Получено 2012-11-29. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  3. ^ а б «Базовая архитектура». 6502. 2002-01-02.
  4. ^ а б Лео Дж. Скэнлон (1980). 6502 Дизайн программного обеспечения. H. W. Sams. стр.172–173. ISBN  9780672216565.
  5. ^ а б c Лэнс А. Левенталь (1986). 6502 Программирование на языке ассемблера. Осборн / Макгроу-Хилл. ISBN  9780078812163.
  6. ^ Рональд Дж. Токчи и Лестер П. Ласковски (1979). Микропроцессоры и микрокомпьютеры: аппаратное и программное обеспечение. Прентис-Холл. п.379. ISBN  9780135813225.
  7. ^ Артур Ф. Кукес и Б. Г. Томпсон (1987). Apple II в лаборатории. UP Архив. п. 93. ISBN  9780521321983.
  8. ^ Харрод, Деннетт А. (октябрь 1980 г.). "6502 получает микропрограммируемые инструкции". БАЙТ. Vol. 5 шт. 10. Макгроу Хилл. С. 282–285. Архивировано из оригинал на 2006-05-25. Получено 2009-05-31.
  9. ^ Ричард Р. Смардзевски (1984). Программирование микропроцессоров и приложения для ученых и инженеров. Эльзевир. п.125. ISBN  9780444424075.

дальнейшее чтение