介紹用PIC16C73 自帶的八位A/D 轉(zhuǎn)換器擴展為十二位A/D 轉(zhuǎn)換器，給出了具體的設(shè)計方案和程序流程。它是用以 PIC16C73 為MCU 構(gòu)成的海水有機磷測控儀A/D 轉(zhuǎn)換部分的一種解決方案。為監(jiān)測海洋生態(tài)環(huán)境，研制了用于海水有機磷農(nóng)藥現(xiàn)場監(jiān)測的生物傳感器。為測定生物傳感器的信號，使傳感器可用于船載及臺站的海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場自動監(jiān)測，需要對整個的采樣和排液裝置進行控制以及對傳感器來的信號進行實時采集處理，形成有機磷的濃度傳給上位機。為此，開發(fā)了以PIC16C73 單片機為核心的小型測控儀器，很好的完成了上述功能。PIC1673 單片機自帶8 位的A/D 轉(zhuǎn)換器，但不能滿足系統(tǒng)對精度的要求，本設(shè)計在單片機自帶8 位A/D 基礎(chǔ)上加少量的硬件和軟件開銷，使其擴展為十二位A/D 轉(zhuǎn)換器，滿足了系統(tǒng)的要求。
上傳時間： 2013-10-30
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抽樣z變換頻率抽樣理論:我們將先闡明：（1）z變換與DFT的關(guān)系（抽樣z變換），在此基礎(chǔ)上引出抽樣z變換的概念，并進一步深入討論頻域抽樣不失真條件。（2）頻域抽樣理論（頻域抽樣不失真條件）（3)頻域內(nèi)插公式一、z變換與DFT關(guān)系 （1）引入連續(xù)傅里葉變換引出離散傅里葉變換定義式。離散傅里葉變換看作是序列的傅里葉變換在 頻 域 再 抽 樣 后 的 變 換 對.在Z變換與L變換中,又可了解到序列的傅里葉 變換就是單位圓上的Z 變 換.所以對序列的傅里葉變換進行頻域抽樣時, 自 然可以看作是對單位圓上的 Z變換進行抽樣. (2)推導(dǎo)Z 變 換 的 定 義 式 (正 變 換) 重 寫 如 下: 取z=ejw 代 入 定 義 式, 得 到 單 位 圓 上 Z 變 換 為w是 單 位 圓 上 各 點 的 數(shù) 字 角 頻 率.再 進 行 抽 樣-- N 等 分.這 樣w=2kπ/N, 即w值為0,2π/N,4π/N,6π/N…, 考慮到x(n)是N點有限長序列, 因而n只需0~N-1即可。將w=2kπ/N代入并改變上下限, 得 則這正是離散傅里葉變換 (DFT)正變換定義式.
上傳時間： 2014-12-28
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新穎實用的單片機雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路和軟件:摘 要: 通過對雙積分A/ D 轉(zhuǎn)換過程及其原理的分析,結(jié)合8031 單片機定時計數(shù)器的特點,設(shè)計出一種新的A/ D 轉(zhuǎn)換電路. 詳細介紹了這種轉(zhuǎn)換電路的硬件原理及工作過程,給出了實用的硬件電路與軟件設(shè)計框圖. 通過比較分析,可以看出這種A/ D 轉(zhuǎn)換電路性能價格比較高,軟件編程簡單,并且轉(zhuǎn)換速度和精度優(yōu)于一般的A/ D 轉(zhuǎn)換電路. 這種設(shè)計思路為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/ D) 的升級提高指出一個明確的方向.關(guān)鍵詞:單片機; 定時/ 計數(shù)器; A/ D 轉(zhuǎn)換; 雙積分 雙積分A/ D 及定時計數(shù)器原理:我們先分析雙積分A/ D 轉(zhuǎn)換的工作原理. 如圖1 所示,積分器先以固定時間T 對待測的輸入模擬電壓Vi 進行正向積分,積分電容C 積累的電荷為
標(biāo)簽： 單片機 雙積分 轉(zhuǎn)換電路 軟件
上傳時間： 2014-01-18
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本文以氣體流量的計量為背景，對理想氣體狀態(tài)方程、R-K狀態(tài)方程等的測量誤差進行了分析，提出了在線流量計量中溫度、壓力補償，壓縮因子Z的修正方法，并利用單片機實時在線補償和修正，從而提高了氣體流量計量的精度。
上傳時間： 2013-11-23
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The C500 microcontroller family usually provides only one on-chip synchronous serialchannel (SSC). If a second SSC is required, an emulation of the missing interface mayhelp to avoid an external hardware solution with additional electronic components.The solution presented in this paper and in the attached source files emulates the mostimportant SSC functions by using optimized SW routines with a performance up to 25KBaud in Slave Mode with half duplex transmission and an overhead less than 60% atSAB C513 with 12 MHz. Due to the implementation in C this performance is not the limitof the chip. A pure implementation in assembler will result in a strong reduction of theCPU load and therefore increase the maximum speed of the interface. In addition,microcontrollers like the SAB C505 will speed up the interface by a factor of two becauseof an optimized architecture compared with the SAB C513.Moreover, this solution lays stress on using as few on-chip hardware resources aspossible. A more excessive consumption of those resources will result in a highermaximum speed of the emulated interface.Due to the restricted performance of an 8 bit microcontroller a pin compatible solution isprovided only; the internal register based programming interface is replaced by a set ofsubroutine calls.The attached source files also contain a test shell, which demonstrates how to exchangeinformation between an on-chip HW-SSC and the emulated SW-SSC via 5 external wiresin different operation modes. It is based on the SAB C513 (Siemens 8 bit microcontroller).A table with load measurements is presented to give an indication for the fraction of CPUperformance required by software for emulating the SSC.
標(biāo)簽： synchronous Emulating serial
上傳時間： 2014-01-31
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18-2. D/A轉(zhuǎn)換器基本知識18-3. 光導(dǎo)智能小車硬件實現(xiàn)18-4. ADC0832基本應(yīng)用方法18-5. 光導(dǎo)智能小車軟件實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率 使輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。常 用二進制的位數(shù)表示。 例如:12位ADC的分辨率就是12位，一個10V滿刻度的12位ADC能分辨 輸入電壓變化最小是: 10V×1/212=2.4mV量化誤差 ADC把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對模擬量進行量化而引起的誤差。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)偏移誤差 指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，所以有時又稱為零值誤差。滿刻度誤差 滿刻度誤差又稱為增益誤差。指滿刻度輸出數(shù)碼所對應(yīng)的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差。線性度 線性度有時又稱為非線性度，指轉(zhuǎn)換器實際的轉(zhuǎn)換特性與理想直線的最大偏差。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)絕對精度 在一個轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值，稱為絕對精度。對于ADC而言，可以在每一個階梯的水平中點進行測量，它包括了所有的誤差。轉(zhuǎn)換速率 指ADC能夠重復(fù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。而完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間（包括穩(wěn)定時間），則是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。
標(biāo)簽： 單片機 應(yīng)用接口
上傳時間： 2013-11-25
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PCF8563 是低功耗的CMOS 實時時鐘日歷芯片.它提供一個可編程時鐘輸出一個中斷輸出和掉電檢測器.所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口串行傳遞最大總線速度為400Kbits/s 每次讀寫數(shù)據(jù)后內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量.2 特性 低工作電流典型值為0.25 A VDD=3.0V Tamb=25 時; 世紀標(biāo)志; 大工作電壓范圍1.0 5.5V; 低休眠電流典型值為0.25 A(VDD=3.0V,Tamb=25 ); 400KHz 的I2C 總線接口VDD=1.8 5.5V 時; 可編程時鐘輸出頻率為32.768KHz 1024Hz 32Hz 1Hz; 報警和定時器; 內(nèi)部集成的振蕩器電容片內(nèi)電源復(fù)位功能掉電檢測器; I2C 總線從地址讀0A3H 寫0A2H; 開漏中斷引腳
上傳時間： 2013-12-16
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Σ-ΔA/D技術(shù)具有高分辨率、高線性度和低成本的特點。本文基于TI公司的MSP430F1121單片機，介紹了采用內(nèi)置比較器和外圍電路構(gòu)成類似于Σ-△的高精度A/D實現(xiàn)方案，適合用于對溫度、壓力和電壓等緩慢變化信號的采集應(yīng)用。 在各種A/D轉(zhuǎn)換器中，最常用是逐次逼近法(SAR)A/D，該類器件具有轉(zhuǎn)換時間固定且快速的特點，但難以顯著提高分辨率；積分型A/D 有較強的抗干擾能力，但轉(zhuǎn)換時間較長；過采樣Σ-ΔA/D由于其高分辨率，高線性度及低成本的特點，正得到越來越多的應(yīng)用。根據(jù)這些特點，本文以TI公司的MSP430F1121單片機實現(xiàn)了一種類似于Σ-ΔA/D技術(shù)的高精度轉(zhuǎn)換器方案。 MSP430F1121是16位RISC結(jié)構(gòu)的FLASH型單片機，該芯片有14個雙向I/O口并兼有中斷功能，一個16位定時器兼有計數(shù)和定時功能。I/O口輸出高電平時電壓接近Vcc，低電平時接近Vss，因此，一個I/O口可以看作一位DAC，具有PWM功能。 該芯片具有一個內(nèi)置模擬電壓比較器，只須外接一只電阻和電容即可構(gòu)成一個類似于Σ-Δ技術(shù)的高精度單斜率A/D。一般而言，比較器在使用過程中會受到兩種因素的影響，一種是比較器輸入端的偏置電壓的積累；另一種是兩個輸入端電壓接近到一程度時，輸出端會產(chǎn)生振蕩。 MSP430F1121單片機在比較器兩輸入端對應(yīng)的單片機端口與片外輸入信號的連接線路保持不變的情況下，可通過軟件將比較器兩輸入端與對應(yīng)的單片機端口的連接線路交換，并同時將比較器的輸出極性變換，這樣抵消了比較器的輸入端累積的偏置電壓。通過在內(nèi)部將輸出連接到低通濾波器后，即使在比較器輸入端兩比較電壓非常接近，經(jīng)過濾波后也不會出現(xiàn)輸出端的振蕩現(xiàn)象，從而消除了輸出端震蕩的問題。利用內(nèi)置比較器實現(xiàn)高精度A/D圖1是一個可直接使用的A/D轉(zhuǎn)換方案，該方案是一個高精度的積分型A/D轉(zhuǎn)換器。其基本原理是用單一的I/O端口，執(zhí)行1位的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以比較器的輸出作反饋，來維持Vout與Vin相等。圖1：利用MSP430F1121實現(xiàn)的實用A/D轉(zhuǎn)換器電路方案。
標(biāo)簽： 用單片機 內(nèi)置 比較器 變換器
上傳時間： 2013-11-10
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AVR高速嵌入式單片機原理與應(yīng)用(修訂版)詳細介紹ATMEL公司開發(fā)的AVR高速嵌入式單片機的結(jié)構(gòu)；講述AVR單片機的開發(fā)工具和集成開發(fā)環(huán)境（IDE）,包括Studio調(diào)試工具、AVR單片機匯編器和單片機串行下載編程；學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)時,每條指令均有實例,邊學(xué)習(xí)邊調(diào)試,使學(xué)習(xí)者看得見指令流向及操作結(jié)果,真正理解每條指令的功能及使用注意事項；介紹AVR系列多種單片機功能特點、實用程序設(shè)計及應(yīng)用實例；作為提高篇,講述簡單易學(xué)、適用AVR單片機的高級語言BASCOMAVR及ICC AVR C編譯器。 AVR高速嵌入式單片機原理與應(yīng)用(修訂版) 目錄 第一章ATMEL單片機簡介1.1ATMEL公司產(chǎn)品的特點11.2AT90系列單片機簡介21.3AT91M系列單片機簡介2第二章AVR單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1AVR單片機總體結(jié)構(gòu)42.2AVR單片機中央處理器CPU62.2.1結(jié)構(gòu)概述72.2.2通用寄存器堆92.2.3X、Y、Z寄存器92.2.4ALU運算邏輯單元92.3AVR單片機存儲器組織102.3.1可下載的Flash程序存儲器102.3.2內(nèi)部和外部的SRAM數(shù)據(jù)存儲器102.3.3EEPROM數(shù)據(jù)存儲器112.3.4存儲器訪問和指令執(zhí)行時序112.3.5I/O存儲器132.4AVR單片機系統(tǒng)復(fù)位162.4.1復(fù)位源172.4.2加電復(fù)位182.4.3外部復(fù)位192.4.4看門狗復(fù)位192.5AVR單片機中斷系統(tǒng)202.5.1中斷處理202.5.2外部中斷232.5.3中斷應(yīng)答時間232.5.4MCU控制寄存器 MCUCR232.6AVR單片機的省電方式242.6.1休眠狀態(tài)242.6.2空閑模式242.6.3掉電模式252.7AVR單片機定時器／計數(shù)器252.7.1定時器／計數(shù)器預(yù)定比例器252.7.28位定時器／計數(shù)器0252.7.316位定時器／計數(shù)器1272.7.4看門狗定時器332.8AVR單片機EEPROM讀／寫訪問342.9AVR單片機串行接口352.9.1同步串行接口 SPI352.9.2通用串行接口 UART402.10AVR單片機模擬比較器452.10.1模擬比較器452.10.2模擬比較器控制和狀態(tài)寄存器ACSR462．11AVR單片機I/O端口472.11.1端口A472.11.2端口 B482.11.3端口 C542.11.4端口 D552.12AVR單片機存儲器編程612.12.1編程存儲器鎖定位612.12.2熔斷位612.12.3芯片代碼612.12.4編程 Flash和 EEPROM612.12.5并行編程622.12．6串行下載662.12.7可編程特性67第三章AVR單片機開發(fā)工具3.1AVR實時在線仿真器ICE200693.2JTAG ICE仿真器693.3AVR嵌入式單片機開發(fā)下載實驗器SL?AVR703.4AVR集成開發(fā)環(huán)境(IDE)753.4.1AVR Assembler編譯器753.4.2AVR Studio773.4.3AVR Prog783.5SL?AVR系列組態(tài)開發(fā)實驗系統(tǒng)793.6SL?AVR*.ASM源文件說明81第四章AVR單片機指令系統(tǒng)4.1指令格式844.1.1匯編指令844.1.2匯編器偽指令844.1.3表達式874.2尋址方式894.3數(shù)據(jù)操作和指令類型924.3.1數(shù)據(jù)操作924.3.2指令類型924.3.3指令集名詞924.4算術(shù)和邏輯指令934.4.1加法指令934.4.2減法指令974.4.3乘法指令1014.4.4取反碼指令1014.4.5取補指令1024.4.6比較指令1034.4.7邏輯與指令1054.4.8邏輯或指令1074.4.9邏輯異或指令1104.5轉(zhuǎn)移指令1114.5.1無條件轉(zhuǎn)移指令1114.5.2條件轉(zhuǎn)移指令1144.6數(shù)據(jù)傳送指令1354.6.1直接數(shù)據(jù)傳送指令1354.6.2間接數(shù)據(jù)傳送指令1374.6.3從程序存儲器直接取數(shù)據(jù)指令1444.6.4I／O口數(shù)據(jù)傳送指令1454.6.5堆棧操作指令1464.7位指令和位測試指令1474.7.1帶進位邏輯操作指令1474.7.2位變量傳送指令1514.7.3位變量修改指令1524.7.4其它指令1614.8新增指令（新器件）1624.8.1EICALL-- 延長間接調(diào)用子程序1624.8.2EIJMP--擴展間接跳轉(zhuǎn)1634.8.3ELPM--擴展裝載程序存儲器1644.8.4ESPM--擴展存儲程序存儲器1644.8.5FMUL--小數(shù)乘法1664.8.6FMULS--有符號數(shù)乘法1664.8.7FMULSU--有符號小數(shù)和無符號小數(shù)乘法1674.8.8MOVW--拷貝寄存器字1684.8.9MULS--有符號數(shù)乘法1694.8.10MULSU--有符號數(shù)與無符號數(shù)乘法1694.8.11SPM--存儲程序存儲器170 第五章AVR單片機AT90系列5.1AT90S12001725.1.1特點1725.1.2描述1735.1.3引腳配置1745.1.4結(jié)構(gòu)縱覽1755.2AT90S23131835.2.1特點1835.2.2描述1845.2.3引腳配置1855.3ATmega8/8L1855.3.1特點1865.3.2描述1875.3.3引腳配置1895.3.4開發(fā)實驗工具1905.4AT90S2333/44331915.4.1特點1915.4.2描述1925.4.3引腳配置1945.5AT90S4414/85151955.5.1特點1955.5.2AT90S4414和AT90S8515的比較1965.5.3引腳配置1965.6AT90S4434/85351975.6.1特點1975.6.2描述1985.6.3AT90S4434和AT90S8535的比較1985.6.4引腳配置2005.6.5AVR RISC結(jié)構(gòu)2015.6.6定時器/計數(shù)器2125.6.7看門狗定時器 2175.6.8EEPROM讀/寫2175.6.9串行外設(shè)接口SPI2175.6.10通用串行接口UART2175.6.11模擬比較器 2175.6.12模數(shù)轉(zhuǎn)換器2185.6.13I/O端口2235.7ATmega83/1632285.7.1特點2285.7.2描述2295.7.3ATmega83與ATmega163的比較2315.7.4引腳配置2315.8ATtiny10/11/122325.8.1特點2325.8.2描述2335.8.3引腳配置2355.9ATtiny15/L2375.9.1特點2375.9.2描述2375.9.3引腳配置2395 .10ATmega128/128L2395.10.1特點2405.10.2描述2415.10.3引腳配置2435.10.4開發(fā)實驗工具2455.11ATmega1612465.11.1特點2465.11.2描述2475.11.3引腳配置2475.12AVR單片機替代MCS51單片機249第六章實用程序設(shè)計6．1程序設(shè)計方法2506.1.1程序設(shè)計步驟2506．1．2程序設(shè)計技術(shù)2506.2應(yīng)用程序舉例2516.2.1內(nèi)部寄存器和位定義文件2516.2.2訪問內(nèi)部 EEPROM2546.2.3數(shù)據(jù)塊傳送2546.2.4乘法和除法運算應(yīng)用一2556.2.5乘法和除法運算應(yīng)用二2556.2.616位運算2556.2.7BCD運算2556.2.8冒泡分類算法2556.2.9設(shè)置和使用模擬比較器2556.2.10半雙工中斷方式UART應(yīng)用一2556.2.11半雙工中斷方式UART應(yīng)用二2566.2.128位精度A／D轉(zhuǎn)換器2566.2.13裝載程序存儲器2566.2.14安裝和使用相同模擬比較器2566.2.15CRC程序存儲的檢查2566.2.164×4鍵區(qū)休眠觸發(fā)方式2576.2.17多工法驅(qū)動LED和4×4鍵區(qū)掃描2576.2.18I2C總線2576.2.19I2C工作2586.2.20SPI軟件2586.2.21驗證SLAVR實驗器及AT90S1200的口功能12596.2.22驗證SLAVR實驗器及AT90S1200的口功能22596.2.23驗證SLAVR實驗器及具有DIP40封裝的口功能第七章AVR單片機的應(yīng)用7.1通用延時子程序2607.2簡單I/O口輸出實驗2667.2.1SLAVR721.ASM 2667.2.2SLAVR722.ASM2677.2.3SLAVR723.ASM2687.2.4SLAVR724.ASM2707.2.5SLAVR725.ASM2717.2.6SLAVR726.ASM2727.2.7SLAVR727.ASM2737.3綜合程序2747.3.1LED/LCD/鍵盤掃描綜合程序2747.3.2LED鍵盤掃描綜合程序2757.3.3在LED上實現(xiàn)字符8的循環(huán)移位顯示程序2757.3.4電腦放音機2777.3.5鍵盤掃描程序2857.3.6十進制計數(shù)顯示2867.3.7廉價的A/D轉(zhuǎn)換器2897.3.8高精度廉價的A/D轉(zhuǎn)換器2947.3.9星星燈2977.3.10按鈕猜數(shù)程序2987.3.11漢字的輸入3047.4復(fù)雜實用程序3067.4.110位A/D轉(zhuǎn)換3067.4.2步進電機控制程序3097.4.3測脈沖寬度3127.4.4LCD顯示8字循環(huán)3187.4.5LED電腦時鐘3247.4.6測頻率3307.4.7測轉(zhuǎn)速3327.4.8AT90S8535的A/D轉(zhuǎn)換334第八章BASCOMAVR的應(yīng)用8.1基于高級語言BASCOMAVR的單片機開發(fā)平臺3408.2BASCOMAVR軟件平臺的安裝與使用3418.3AVR I/O口的應(yīng)用3458.3.1LED發(fā)光二極管的控制3458.3.2簡易手控廣告燈3468.3.3簡易電腦音樂放音機3478.4LCD顯示器3498.4.1標(biāo)準(zhǔn)LCD顯示器的應(yīng)用3498.4.2簡單游戲機--按鈕猜數(shù)3518.5串口通信UART3528.5.1AVR系統(tǒng)與PC的簡易通信3538.5.2PC控制的簡易廣告燈3548.6單總線接口和溫度計3568.7I2C總線接口和簡易IC卡讀寫器359第九章ICC AVR C編譯器的使用9.1ICC AVR的概述3659.1.1介紹ImageCraft的ICC AVR3659.1.2ICC AVR中的文件類型及其擴展名3659.1.3附注和擴充3669.2ImageCraft的ICC AVR編譯器安裝3679.2.1安裝SETUP.EXE程序3679.2.2對安裝完成的軟件進行注冊3679.3ICC AVR導(dǎo)游3689.3.1起步3689.3.2C程序的剖析3699.4ICC AVR的IDE環(huán)境3709.4.1編譯一個單獨的文件3709.4.2創(chuàng)建一個新的工程3709.4.3工程管理3719.4.4編輯窗口3719.4.5應(yīng)用構(gòu)筑向?qū)?719.4.6狀態(tài)窗口3719.4.7終端仿真3719.5C庫函數(shù)與啟動文件3729.5.1啟動文件3729.5.2常用庫函數(shù)3729.5.3字符類型庫3739.5.4浮點運算庫3749.5.5標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出庫3759.5.6標(biāo)準(zhǔn)庫和內(nèi)存分配函數(shù)3769.5.7字符串函數(shù)3779.5.8變量參數(shù)函數(shù)3799.5.9堆棧檢查函數(shù)3799.6AVR硬件訪問的編程3809.6.1訪問AVR的底層硬件3809.6.2位操作3809.6.3程序存儲器和常量數(shù)據(jù)3819.6.4字符串3829.6.5堆棧3839.6.6在線匯編3839.6.7I/O寄存器3849.6.8絕對內(nèi)存地址3849.6.9C任務(wù)3859.6.10中斷操作3869.6.11訪問UART3879.6.12訪問EEPROM3879.6.13訪問SPI3889.6.14相對轉(zhuǎn)移/調(diào)用的地址范圍3889.6.15C的運行結(jié)構(gòu)3889.6.16匯編界面和調(diào)用規(guī)則3899.6.17函數(shù)返回非整型值3909.6.18程序和數(shù)據(jù)區(qū)的使用3909.6.19編程區(qū)域3919.6.20調(diào)試3919.7應(yīng)用舉例*3929.7.1讀/寫口3929.7.2延時函數(shù)3929.7.3讀/寫EEPROM3929.7.4AVR的PB口變速移位3939.7.5音符聲程序3939.7.68字循環(huán)移位顯示程序3949.7.7鋸齒波程序3959.7.8正三角波程序3969.7.9梯形波程序396附錄1AT89系列單片機簡介398附錄2AT94K系列現(xiàn)場可編程系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)集成電路401附錄3指令集綜合404附錄4AVR單片機選型表408參 考 文 獻412
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九.輸入/輸出保護為了支持多任務(wù)，80386不僅要有效地實現(xiàn)任務(wù)隔離，而且還要有效地控制各任務(wù)的輸入/輸出，避免輸入/輸出沖突。本文將介紹輸入輸出保護。 這里下載本文源代碼。 <一>輸入/輸出保護80386采用I/O特權(quán)級IPOL和I/O許可位圖的方法來控制輸入/輸出，實現(xiàn)輸入/輸出保護。 1.I/O敏感指令輸入輸出特權(quán)級(I/O Privilege Level)規(guī)定了可以執(zhí)行所有與I/O相關(guān)的指令和訪問I/O空間中所有地址的最外層特權(quán)級。IOPL的值在如下圖所示的標(biāo)志寄存器中。 標(biāo) 志寄存器 BIT31—BIT18 BIT17 BIT16 BIT15 BIT14 BIT13—BIT12 BIT11 BIT10 BIT9 BIT8 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 00000000000000 VM RF 0 NT IOPL OF DF IF TF SF ZF 0 AF 0 PF 1 CF I/O許可位圖規(guī)定了I/O空間中的哪些地址可以由在任何特權(quán)級執(zhí)行的程序所訪問。I/O許可位圖在任務(wù)狀態(tài)段TSS中。 I/O敏感指令 指令 功能 保護方式下的執(zhí)行條件 CLI 清除EFLAGS中的IF位 CPL<=IOPL STI 設(shè)置EFLAGS中的IF位 CPL<=IOPL IN 從I/O地址讀出數(shù)據(jù) CPL<=IOPL或I/O位圖許可 INS 從I/O地址讀出字符串 CPL<=IOPL或I/O位圖許可 OUT 向I/O地址寫數(shù)據(jù) CPL<=IOPL或I/O位圖許可 OUTS 向I/O地址寫字符串 CPL<=IOPL或I/O位圖許可 上表所列指令稱為I/O敏感指令，由于這些指令與I/O有關(guān)，并且只有在滿足所列條件時才可以執(zhí)行，所以把它們稱為I/O敏感指令。從表中可見，當(dāng)前特權(quán)級不在I/O特權(quán)級外層時，可以正常執(zhí)行所列的全部I/O敏感指令；當(dāng)特權(quán)級在I/O特權(quán)級外層時，執(zhí)行CLI和STI指令將引起通用保護異常，而其它四條指令是否能夠被執(zhí)行要根據(jù)訪問的I/O地址及I/O許可位圖情況而定(在下面論述)，如果條件不滿足而執(zhí)行，那么將引起出錯碼為0的通用保護異常。 由于每個任務(wù)使用各自的EFLAGS值和擁有自己的TSS，所以每個任務(wù)可以有不同的IOPL，并且可以定義不同的I/O許可位圖。注意，這些I/O敏感指令在實模式下總是可執(zhí)行的。 2.I/O許可位圖如果只用IOPL限制I/O指令的執(zhí)行是很不方便的，不能滿足實際要求需要。因為這樣做會使得在特權(quán)級3執(zhí)行的應(yīng)用程序要么可訪問所有I/O地址，要么不可訪問所有I/O地址。實際需要與此剛好相反，只允許任務(wù)甲的應(yīng)用程序訪問部分I/O地址，只允許任務(wù)乙的應(yīng)用程序訪問另一部分I/O地址，以避免任務(wù)甲和任務(wù)乙在訪問I/O地址時發(fā)生沖突，從而避免任務(wù)甲和任務(wù)乙使用使用獨享設(shè)備時發(fā)生沖突。 因此，在IOPL的基礎(chǔ)上又采用了I/O許可位圖。I/O許可位圖由二進制位串組成。位串中的每一位依次對應(yīng)一個I/O地址，位串的第0位對應(yīng)I/O地址0，位串的第n位對應(yīng)I/O地址n。如果位串中的第位為0，那么對應(yīng)的I/O地址m可以由在任何特權(quán)級執(zhí)行的程序訪問；否則對應(yīng)的I/O地址m只能由在IOPL特權(quán)級或更內(nèi)層特權(quán)級執(zhí)行的程序訪問。如果在I/O外層特權(quán)級執(zhí)行的程序訪問位串中位值為1的位所對應(yīng)的I/O地址，那么將引起通用保護異常。 I/O地址空間按字節(jié)進行編址。一條I/O指令最多可涉及四個I/O地址。在需要根據(jù)I/O位圖決定是否可訪問I/O地址的情況下，當(dāng)一條I/O指令涉及多個I/O地址時，只有這多個I/O地址所對應(yīng)的I/O許可位圖中的位都為0時，該I/O指令才能被正常執(zhí)行，如果對應(yīng)位中任一位為1，就會引起通用保護異常。 80386支持的I/O地址空間大小是64K，所以構(gòu)成I/O許可位圖的二進制位串最大長度是64K個位，即位圖的有效部分最大為8K字節(jié)。一個任務(wù)實際需要使用的I/O許可位圖大小通常要遠小于這個數(shù)目。 當(dāng)前任務(wù)使用的I/O許可位圖存儲在當(dāng)前任務(wù)TSS中低端的64K字節(jié)內(nèi)。I/O許可位圖總以字節(jié)為單位存儲，所以位串所含的位數(shù)總被認為是8的倍數(shù)。從前文中所述的TSS格式可見，TSS內(nèi)偏移66H的字確定I/O許可位圖的開始偏移。由于I/O許可位圖最長可達8K字節(jié)，所以開始偏移應(yīng)小于56K，但必須大于等于104，因為TSS中前104字節(jié)為TSS的固定格式，用于保存任務(wù)的狀態(tài)。 1.I/O訪問許可檢查細節(jié)保護模式下處理器在執(zhí)行I/O指令時進行許可檢查的細節(jié)如下所示。 (1)若CPL<=IOPL，則直接轉(zhuǎn)步驟(8)；(2)取得I/O位圖開始偏移；(3)計算I/O地址對應(yīng)位所在字節(jié)在I/O許可位圖內(nèi)的偏移；(4)計算位偏移以形成屏蔽碼值，即計算I/O地址對應(yīng)位在字節(jié)中的第幾位；(5)把字節(jié)偏移加上位圖開始偏移，再加1，所得值與TSS界限比較，若越界，則產(chǎn)生出錯碼為0的通用保護故障；(6)若不越界，則從位圖中讀對應(yīng)字節(jié)及下一個字節(jié)；(7)把讀出的兩個字節(jié)與屏蔽碼進行與運算，若結(jié)果不為0表示檢查未通過，則產(chǎn)生出錯碼為0的通用保護故障；(8)進行I/O訪問。設(shè)某一任務(wù)的TSS段如下： TSSSEG SEGMENT PARA USE16 TSS <> ;TSS低端固定格式部分 DB 8 DUP(0) ;對應(yīng)I/O端口00H—3FH DB 10000000B ;對應(yīng)I/O端口40H—47H DB 01100000B ;對用I/O端口48H—4FH DB 8182 DUP(0ffH) ;對應(yīng)I/O端口50H—0FFFFH DB 0FFH ;位圖結(jié)束字節(jié)TSSLen = $TSSSEG ENDS 再假設(shè)IOPL=1，CPL=3。那么如下I/O指令有些能正常執(zhí)行，有些會引起通用保護異常： in al,21h ;(1)正常執(zhí)行 in al,47h ;(2)引起異常 out 20h,al ;(3)正常實行 out 4eh,al ;(4)引起異常 in al,20h ;(5)正常執(zhí)行 out 20h,eax ;(6)正常執(zhí)行 out 4ch,ax ;(7)引起異常 in ax,46h ;(8)引起異常 in eax,42h ;(9)正常執(zhí)行 由上述I/O許可檢查的細節(jié)可見，不論是否必要，當(dāng)進行許可位檢查時，80386總是從I/O許可位圖中讀取兩個字節(jié)。目的是為了盡快地執(zhí)行I/O許可檢查。一方面，常常要讀取I/O許可位圖的兩個字節(jié)。例如，上面的第(8)條指令要對I/O位圖中的兩個位進行檢查，其低位是某個字節(jié)的最高位，高位是下一個字節(jié)的最低位。可見即使只要檢查兩個位，也可能需要讀取兩個字節(jié)。另一方面，最多檢查四個連續(xù)的位，即最多也只需讀取兩個字節(jié)。所以每次要讀取兩個字節(jié)。這也是在判別是否越界時再加1的原因。為此，為了避免在讀取I/O許可位圖的最高字節(jié)時產(chǎn)生越界，必須在I/O許可位圖的最后填加一個全1的字節(jié)，即0FFH。此全1的字節(jié)應(yīng)填加在最后一個位圖字節(jié)之后，TSS界限范圍之前，即讓填加的全1字節(jié)在TSS界限之內(nèi)。 I/O許可位圖開始偏移加8K所得的值與TSS界限值二者中較小的值決定I/O許可位圖的末端。當(dāng)TSS的界限大于I/O許可位圖開始偏移加8K時，I/O許可位圖的有效部分就有8K字節(jié)，I/O許可檢查全部根據(jù)全部根據(jù)該位圖進行。當(dāng)TSS的界限不大于I/O許可位圖開始偏移加8K時，I/O許可位圖有效部分就不到8K字節(jié)，于是對較小I/O地址訪問的許可檢查根據(jù)位圖進行，而對較大I/O地址訪問的許可檢查總被認為不可訪問而引起通用保護故障。因為這時會發(fā)生字節(jié)越界而引起通用保護異常，所以在這種情況下，可認為不足的I/O許可位圖的高端部分全為1。利用這個特點，可大大節(jié)約TSS中I/O許可位圖占用的存儲單元，也就大大減小了TSS段的長度。 <二>重要標(biāo)志保護輸入輸出的保護與存儲在標(biāo)志寄存器EFLAGS中的IOPL密切相關(guān)，顯然不能允許隨便地改變IOPL，否則就不能有效地實現(xiàn)輸入輸出保護。類似地，對EFLAGS中的IF位也必須加以保護，否則CLI和STI作為敏感指令對待是無意義的。此外，EFLAGS中的VM位決定著處理器是否按虛擬8086方式工作。 80386對EFLAGS中的這三個字段的處理比較特殊，只有在較高特權(quán)級執(zhí)行的程序才能執(zhí)行IRET、POPF、CLI和STI等指令改變它們。下表列出了不同特權(quán)級下對這三個字段的處理情況。 不同特權(quán)級對標(biāo)志寄存器特殊字段的處理 特權(quán)級 VM標(biāo)志字段 IOPL標(biāo)志字段 IF標(biāo)志字段 CPL=0 可變(初POPF指令外) 可變 可變 0 不變 不變 可變 CPL>IOPL 不變 不變 不變 從表中可見，只有在特權(quán)級0執(zhí)行的程序才可以修改IOPL位及VM位；只能由相對于IOPL同級或更內(nèi)層特權(quán)級執(zhí)行的程序才可以修改IF位。與CLI和STI指令不同，在特權(quán)級不滿足上述條件的情況下，當(dāng)執(zhí)行POPF指令和IRET指令時，如果試圖修改這些字段中的任何一個字段，并不引起異常，但試圖要修改的字段也未被修改，也不給出任何特別的信息。此外，指令POPF總不能改變VM位，而PUSHF指令所壓入的標(biāo)志中的VM位總為0。 <三>演示輸入輸出保護的實例(實例九)下面給出一個用于演示輸入輸出保護的實例。演示內(nèi)容包括：I/O許可位圖的作用、I/O敏感指令引起的異常和特權(quán)指令引起的異常；使用段間調(diào)用指令CALL通過任務(wù)門調(diào)用任務(wù)，實現(xiàn)任務(wù)嵌套。 1.演示步驟實例演示的內(nèi)容比較豐富，具體演示步驟如下：(1)在實模式下做必要準(zhǔn)備后，切換到保護模式；(2)進入保護模式的臨時代碼段后，把演示任務(wù)的TSS段描述符裝入TR，并設(shè)置演示任務(wù)的堆棧；(3)進入演示代碼段，演示代碼段的特權(quán)級是0；(4)通過任務(wù)門調(diào)用測試任務(wù)1。測試任務(wù)1能夠順利進行；(5)通過任務(wù)門調(diào)用測試任務(wù)2。測試任務(wù)2演示由于違反I/O許可位圖規(guī)定而導(dǎo)致通用保護異常；(6)通過任務(wù)門調(diào)用測試任務(wù)3。測試任務(wù)3演示I/O敏感指令如何引起通用保護異常；(7)通過任務(wù)門調(diào)用測試任務(wù)4。測試任務(wù)4演示特權(quán)指令如何引起通用保護異常；(8)從演示代碼轉(zhuǎn)臨時代碼，準(zhǔn)備返回實模式；(9)返回實模式，并作結(jié)束處理。
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