PDF de programación - Instrumentación de Tiempo Real - Tema 2. Recursos de acceso al hardware

Instrumentación de Tiempo Real

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

Tema 1. Introducción
Tema 2. Recursos de acceso al hardware
Tema 3. Interrupciones
Tema 4. Puertas básicas de entrada/salida (I)
Tema 5. Recursos de temporización de bajo nivel
Tema 6. Multitarea en Ada
Tema 7. Puertas básicas de entrada/salida (II)

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DPTO. DE ELECTRÓNICA Y COMPUTADORES

© Mario Aldea Rivas

2/Mar/06

1

Mapas de memoria y mapas de
entrada/salida

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El acceso a la memoria y a los dispositivos de E/S se realiza
mediante los buses de datos, direcciones y control:

RAM

...

Bus de datos

Bus de direcciones

Bus de control

...

D0

D31

...

A0

A31

...

BUSY
...
M/IO
...
LOCK

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Mapas de memoria y mapas de
entrada/salida

(cont.)

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En algunas arquitecturas no hay diferencia entre registros de
E/S y registros de memoria (p.e. familia 68K de Motorola)
• los registros de E/S se

$000000

encuentran
"mapeados" en
posiciones de memoria

• se accede a ellos

utilizando las mismas
instrucciones que para
acceder a la memoria

Memoria RAM

(256 Kb)

No utilizado

Dispositivos de E/S

(256 bytes)

No utilizado

Memoria ROM

(32 Kb)

Vect. Interrupción

$03FFFF

$080000

$0800FF

$FF8000

$FFFEFF
$FFFF00
$FFFFFF

$080000

$080004

$080008

$08000F

Teclado

No utilizado

Puerta Serie

No utilizado

$0800F0

$0800F8
$0800FF

Temporizador

No utilizado

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Mapas de memoria y mapas de
entrada/salida

(cont.)

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En otras arquitecturas los mapas de memoria y de E/S son
independientes (p.e. familia x86 de Intel)
• se utilizan

instrucciones
diferentes para acceder
a la memoria (MOV, XCHG,
etc.) o a los registros
de E/S (IN, OUT, etc.)

• con la línea MEM/IO del

bus de control se
selecciona el mapa

Mapa de Memoria

Mapa de E/S

$000000

$03FFFF

Memoria RAM

(256 Kb)

No utilizado

$FF8000

$FFFEFF
$FFFF00
$FFFFFF

Memoria ROM

(32 Kb)

Vect. Interrupción

$0000

$0004

$0008

$000F

Teclado

No utilizado

Puerta Serie

No utilizado

$00F0

$00F8
$00FF

Temporizador

No utilizado

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Mapas de memoria y mapas de
entrada/salida

(cont.)

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Mapa de E/S
de un PC

$02FF

$02F8

$0063

$0060

$0043

$0040

$0023

$0020

$000F

$0000

COM 2

8255
(PPI)

Timer

Controlador de
Interrupciones

Controlador de

DMA

$FFFF

$03FF

$03F8
$03F7

$03F0

$03DF

$03D0

$037F

$0378

$032F

$0320

Área de
expansión
de E/S

COM 1

Disquete

Adaptador

CGA

LPT 1

Disco
duro

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Instanciación física de variables

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Text

(Código)

Data
(Datos)

Heap

(Montículo)

Disponible

Stack
(Pila)

de un programa

Estructura
en memoria

procedure Ejemplo_Memoria is
type Int_10 is range 1 .. 10;
D1 : Int_10;
D2 : Float := 1.0;
D3 : access all Integer;

no tiene
representación
en memoria

procedure Un_Proc is
S : Integer;
begin
...;
end Un_Proc;

begin
D3 := new Integer;
D1 := 2 * Int_10 (D2);
...;
end Ejemplo_Memoria;

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Acceso a direcciones de memoria
física

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En ocasiones es necesario acceder a una posición
determinada del mapa memoria para acceder a los
dispositivos de E/S:
• También en la arquitectura Intel x86

- dispositivos PCI mapeados en memoria
- acceso directo a memoria de video

Para ubicar una variable en una posición de memoria:

N : Integer;
for N’address use 16#EF5A01#;

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Acceso a direcciones de memoria
física

(cont.)

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Para asignar una variable puntero a una dirección absoluta:
with MaRTE_OS;
with Ada.Unchecked_Conversion;
with Basic_Integer_Types; use Basic_Integer_Types;

procedure Asigna_Punteros is
type Mi_Entero is range 1 .. 100;
type Puntero_A_Mi_Entero is access all Mi_Entero;

function Asigna_Direccion is
new Ada.Unchecked_Conversion (Unsigned_32,
Puntero_A_Mi_Entero);
Un_Puntero : Puntero_A_Mi_Entero;

begin
Un_Puntero := Asigna_Direccion (16#F7B45#);
end Asigna_Punteros;

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Acceso a los registros de E/S

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En la arquitectura Intel x86 el acceso a las direcciones de E/S
se realiza mediante instrucciones ensamblador especiales:
• inb, outb, inw, outw, inl, outl
Para acceder a las direcciones de E/S desde el lenguaje Ada,
MaRTE OS proporciona el paquete IO_Interface
• con funciones y procedimientos para leer y escribir bytes,

words (2 bytes) y long words (4 bytes)

• para cada función y procedimiento existe una versión que
realiza un retraso después de la lectura o escritura del dato
- necesarias para acceder a dispositivos lentos o cuando

se realizan muchos accesos seguidos
- son las operaciones terminadas en "_P"

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Acceso a los registros de E/S (cont.)

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package IO_Interface is

-- Registros de E/S (también llamados "Ports")
type IO_Port is range 0 .. 16#FFFF#;

-- Lee un byte de un registro de E/S
function Inb (Port : in IO_Port) return Unsigned_8;
function Inb_P (Port : in IO_Port) return Unsigned_8;

-- Lee un word (2 bytes) de 2 registros consecutivos
function Inw (Port : in IO_Port) return Unsigned_16;
function Inw_P (Port : in IO_Port) return Unsigned_16;

-- Lee un long word (4 bytes) de 4 reg. consecutivos
function Inl (Port : in IO_Port) return Unsigned_32;
function Inl_P (Port : in IO_Port) return Unsigned_32;

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Acceso a los registros de E/S (cont.)

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-- Escribe un byte en un registro de E/S
procedure Outb (Port : in IO_Port; Val : in Unsigned_8);
procedure Outb_P (Port : in IO_Port;
Val : in Unsigned_8);

-- Escribe un word (2 bytes) 2 registros consecutivos
procedure Outw (Port : in IO_Port;
Val : in Unsigned_16);
procedure Outw_P (Port : in IO_Port;
Val : in Unsigned_16);

-- Escribe un long word (4 bytes) en 4 reg. consecutivos
procedure Outl (Port : in IO_Port;
Val : in Unsigned_32);
procedure Outl_P (Port : in IO_Port;
Val : in Unsigned_32);
end IO_Interface;

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Ejemplo:

Lectura de un convertidor A/D

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Un convertidor Analógico a Digital convierte una tensión de
entrada (Vi) a un valor numérico proporcional al valor de Vi
Convertidor A/D de 12 bits de resolución y ganancia
regulable:

LoDato ($240)

HiDato ($241)

D3 D2 D1 D0 X

X

X

X

D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4

Ganancia ($244)

Estado ($246)

X

B

X

X

X

X

X

X

R3 R2 R1 R0

X

X

X

X

Ganancia R3 R2 R1 R0
1 0 0 0 1
2 0 0 1 0
4 0 1 0 0
8 1 0 0 0
16 0 0 0 0

Vs

G

Vi

A/D

D11-D0

Dato

$FFF

-10V

Vi

+10V

$000

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Ejemplo:

Convertidor A/D

(cont.)

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Modo de operación del convertidor A/D:
• La ganancia se configura escribiendo en el registro

Ganancia

• La conversión se inicia escribiendo cualquier valor en el

registro Estado

• El fin de la conversión se detecta por el cambio de 1 a 0 del

bit B del registro Estado

• El resultado de la conversión se lee de HiDato y LoDato
• El valor resultante de la conversión se obtiene "uniendo"

ambos registros:

Resultado Conversión :=

D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4

D3 D2 D1 D0

HiDato

LoDato

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Ejemplo:

Convertidor A/D

(cont.)

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La fórmula que relaciona el dato leido del convertidor con el
valor real de la magnitud medida es:

ValorReal

=

20
------------ Dato
10–
4095
------------------------------------------------

+
×
Ganancia

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Ejemplo:

Convertidor A/D

(cont.)

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with MaRTE_OS;
with Basic_Integer_Types; use Basic_Integer_Types;
with IO_Interface;
with Ada.Text_IO; use Ada.Text_IO;

procedure Lee_Convertidor is

-- Direcciones de los registros de E/S del convertidor
Reg_Lo_Dato : constant IO_Interface.IO_Port := 16#240#;
Reg_Hi_Dato : constant IO_Interface.IO_Port := 16#241#;
Reg_Ganancia : constant IO_Interface.IO_Port := 16#244#;
Reg_Estado : constant IO_Interface.IO_Port := 16#246#;

-- Valores de la ganancia
type Valores_Ganancia is (G1, G2, G4, G8, G16);

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Ejemplo:

Convertidor A/D

(cont.)

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-- Conversión entre los valores de la ganancia y
-- el código binario que les representa
Codigo_Ganancia : constant array (Valores_Ganancia)
of Basic_Integer_Types.Unsigned_8 := (G1 => 16#01#,
G2 => 16#02#,
G4 => 16#04#,