Giriş/çıkış temelleri: memory-mapped I/O ve polling

Bir bilgisayar sadece hesap yapsaydı işe yaramazdı: veriyi bir yerden almalı, sonucu bir yere vermeli. von Neumann modelinin input ve output parçaları bu işi yapar. Bu sayfada LC-3’ün klavye ve ekranla nasıl konuştuğunu öğreneceksin. Mekanizma basit: aygıtın iki register’ı var, biri “hazır mısın?” sorusunun cevabını, diğeri karakterin kendisini tutar.

Bu konu 7-8. haftanın LC-3 komutlarını (LDI, STI, BR) kullanır. Henüz o komutları görmediysen bu sayfayı onlardan sonra tekrar oku; burada her komutun ne yaptığını tek cümleyle açıklıyoruz.

Aygıt register’ları

Her I/O aygıtının en az iki register’ı vardır:

• Data register: aktarılan veri (karakter).
• Status register: aygıtın durumu, özellikle “hazır” bilgisi.

LC-3’te klavyenin ve ekranın register’ları:

Memory-mapped I/O

Bazı işlemcilerde I/O için özel komutlar vardır (IN, OUT gibi). LC-3 bunu yapmaz: aygıt register’larına bellek adresi verilir. İşlemci onlara normal bellek gibi yükleme ve saklama komutlarıyla erişir. Bellek arayüzü adresin xFE00 bölgesinde olduğunu görünce isteği belleğe değil aygıta yönlendirir. Buna memory-mapped I/O denir.

Sonuç: “klavyeden oku” = “xFE02 adresini oku”. “Ekrana yaz” = “xFE06 adresine yaz”.

Neden LDI ve STI?

LD ve ST komutları PC’nin yakınındaki bir adrese erişebilir: PC + offset, offset 9 bit, yani -256..+255. Programın x3000 civarında. xFE00 çok uzak. Çözüm: aygıtın adresini programın yanına bir pointer olarak koy ve dolaylı (indirect) eriş.

KBSRP   .FILL xFE00     ; KBSR'nin adresi programın içinde
...
        LDI  R1, KBSRP  ; R1 ← M[M[KBSRP]] = M[xFE00] = KBSR

LDI R1, KBSRP iki adımda okur: önce KBSRP’deki değeri (xFE00) alır, sonra o adresin içeriğini R1’e koyar. STI aynı şeyi yazma için yapar.

Senkronizasyon: ready bit

Klavye asenkrondur: kullanıcının ne zaman tuşa basacağı belli değil. İşlemci ise saniyede milyarlarca komut çalıştırır. İkisinin uyumlu çalışması için bir el sıkışma (handshake) gerekir. Bunu ready bit sağlar.

Klavye tarafı:

1. Kullanıcı tuşa basar. Klavye ASCII kodu KBDR’ye koyar ve KBSR[15] = 1 yapar.
2. İşlemci KBDR’yi okur. Okuma anında KBSR[15] otomatik olarak 0 olur.
3. KBSR[15] = 0 iken klavye yeni karakteri KBDR’ye yazmaz; böylece okunmamış karakter ezilmez.

Ekran tarafı:

1. DSR[15] = 1 ise ekran hazır.
2. İşlemci DDR’ye karakteri yazar. DSR[15] = 0 olur.
3. Ekran karakteri bastıktan sonra DSR[15] = 1 olur.

İPUCU · Neden BRzp? Ready bit bit 15, yani 16 bitlik sayının işaret biti. Hazırsa register’a yüklenen değer negatiftir (N). Hazır değilse 0 ya da pozitif (Z ya da P). “Hazır olmadığı sürece bekle” = BRzp ile başa dön.

Polling

İşlemcinin ready bit’ini bir döngüde tekrar tekrar okumasına polling denir.

Klavyeden bir karakter oku:

POLL    LDI  R1, KBSRP   ; R1 ← KBSR
        BRzp POLL        ; bit 15 = 0 → hazır değil, tekrar sor
        LDI  R0, KBDRP   ; R0 ← KBDR (karakter)

Ekrana bir karakter yaz:

POLL2   LDI  R1, DSRP    ; R1 ← DSR
        BRzp POLL2       ; ekran meşgul, bekle
        STI  R0, DDRP    ; DDR ← R0

Çözümlü örnek: echo

Klavyeden bir karakter oku ve ekrana yaz.

        .ORIG x3000
START   LDI  R1, KBSRP
        BRzp START
        LDI  R0, KBDRP
ECHO    LDI  R1, DSRP
        BRzp ECHO
        STI  R0, DDRP
        HALT
KBSRP   .FILL xFE00
KBDRP   .FILL xFE02
DSRP    .FILL xFE04
DDRP    .FILL xFE06
        .END

Kullanıcı k yazınca:

k

Program bitince R0 = x006B (‘k’ ASCII kodu), R1 = x8000 (son okunan DSR, hazır), condition code N.

Polling ile interrupt farkı

Bir insan saniyede belki 5 tuşa basar, işlemci o sürede milyarlarca komut çalıştırabilir. Polling bu zamanın neredeyse tamamını boşa harcar. Interrupt’ta işlemci kendi işini yapar, aygıt hazır olunca kısa bir servis rutini çalışır ve işlemci kaldığı yere döner.

TRAP: işletim sistemine bırak

Her programda bu polling döngülerini yazmak hem zahmetli hem tehlikeli (bir kullanıcı programının aygıt register’larıyla oynamasını istemezsin). LC-3’te bu iş işletim sistemindeki servis rutinlerine bırakılır. Kullanıcı programı TRAP komutuyla bunları çağırır.

TRAP x23 çalışınca:

1. Dönüş adresi saklanır: R7 ← PC (zaten artmış PC).
2. PC ← M[x0023]. x0000-x00FF arası trap vector table’dır; her satırda bir servis rutininin başlangıç adresi var.
3. Servis rutini kendi polling döngüsüyle işini yapar.
4. Sonunda RET (= JMP R7) ile kullanıcı programına döner.

Çözümlü örnek: klavyeden bir rakam oku, iki katını yaz.

        GETC                ; R0 ← '3' = x33
        LD   R1, NEG30      ; R1 ← -48
        ADD  R2, R0, R1     ; R2 ← 3 (sayı)
        ADD  R0, R2, R2     ; R0 ← 6
        LD   R1, POS30      ; R1 ← 48
        ADD  R0, R0, R1     ; R0 ← '6'
        OUT
        HALT
NEG30   .FILL #-48
POS30   .FILL #48

Kullanıcı 3 yazarsa:

6

TUZAK · R7’yi ezmek. TRAP, dönüş adresini R7’ye yazar. Programında R7’de önemli bir değer tutuyorsan TRAP’ten sonra kaybolur. Önce başka yere kaydet.

Sık yapılan hatalar

        AND  R2, R2, #0
        ADD  R2, R2, #2
AGAIN   LDI  R1, KBSRP
        BRzp AGAIN
        LDI  R0, KBDRP
        ADD  R0, R0, #1
WAIT    LDI  R1, DSRP
        BRzp WAIT
        STI  R0, DDRP
        ADD  R2, R2, #-1
        BRp  AGAIN
        HALT