1. Dichiarazione delle variabili (e delle costanti) La dichiarazione delle variabili è generalmente la prima cosa da fare quando si vuole scrivere la parte software di un compito d’esame. Se si vuole specificare un valore specifico o una costante, quale può essere l’indirizzo a cui si trova, per esempio, una certa risorsa di I/O o il PIC, sarà necessario fare uso della parola EQU: es. Display EQU 80H Questo fa comodo in quanto, all’interno del codice, diventerà facile ed espressivo effettuare operazioni coi comandi IN e OUT: es. OUT Display AX (manda la word presente in AX verso BufferOUT, cioè verso 80H) Per quale tipo di dispositivi bisogna specificare l’indirizzo in questo modo? • Per i dispositivi di I/O coinvolti nelle varie operazioni (ad es. una centralina ABS1, un pulsante, un componente 244, un componente 373); • per il PIC (che dovrà essere anche programmato a parte); • per tutti quei dispositivi, insomma, che sono attaccati al bus dati e che hanno necessità di essere attivati/disattivati (o comunque interfacciati). NOTA: In genere si utilizza EQU per indicare l’indirizzo o la locazione di un dispositivo di I/O, ma non il dato che tale dispositivo può fornire o l’informazione che esso stesso deve gestire: per quello bisognerà definire una variabile (cioè un tipo “dato”, v. di seguito). EQU può anche utilizzato anche per definire le parole di comando da dare al PIC (le OCW e le ICW): es. MASKING EQU FFH ; tutte le interruzioni sono mascherate 8259_OCW1 EQU C1H ; alla locazione C1H è possibile “scrivere” OCW1 …. MOV AL, FFH ; scriviamo in OCW1 passando per un registro OUT 8259_OCW1, AL Bisognerà invece utilizzare una sintassi del genere es. BUF_IN DB 1024 LedFlag DB 1 (il numero che segue DB è una lunghezza in byte2) per le variabili o i dati, ad es.: • un flag di fine routine; • un dato caratteristico del problema o, comunque, un dato comunicato da (o da comunicare a) un dispositivo di I/O (ad es. la velocità angolare di una ruota1, il valore di un display3); • un buffer o un vettore che dev’essere riempito (ad es. in una comunicazione seriale4); • un puntatore che può cambiare valore nel corso dell’esecuzione del programma; • un indice (che di sua natura è qualcosa di variabile). Si noti che quando nel programma principale si dovranno richiamare le costanti (definite con EQU) o le variabili (definite con DB, DW, etc…): Vedi compito del 7 aprile 2007. Dovremo scegliere 1 se abbiamo un byte, 2 se abbiamo una word (in alternativa si poteva scrivere WORD DW 1, in quanto DW ritaglia uno spazio di memoria in word), 1024 se abbiamo un buffer di 1 KB, etc… Se dobbiamo specificare N kilobytes conviene utilizzare la notazione N*1024 dopo DB. 3 Vedi compito del 7 dicembre 2006. 4 Vedi compito dell’11 gennaio 2007. 1 2
•
dovremo richiudere fra parentesi quadre [ … ] le variabili, ad es. Index DB 1 … MOV [Index], SI … • scrivere così come sono (senza parentesi) le costanti, ad es. InterfacciaParallelo EQU 80H … IN AL, InterfacciaParallelo … Par superfluo ricordare che, se dobbiamo allocare spazio per una variabile, dobbiamo essere sicuri che tale spazio sia sufficiente. Ad es. se vogliamo memorizzare da qualche parte l’informazione riguardate i secondi da visualizzare sul display di un orologio, un byte sarà sufficiente (i secondi vanno da 0 a 59 e con 8 bit riusciamo a fare tutto). 2. Il PIC (8259)
• • • •
Il PIC, nome in codice 8259, è un componente della famiglia Intel che si occupa di gestire il meccanismo delle interruzioni: esso è in grado di gestire fino a 8 richieste di interruzione, corrispondenti ai piedini (IR0… IR7). Ad essi andranno a finire i segnali di quei dispositivi (pulsanti, clock, etc..) che devono essere gestiti ad interrupt. Alcune caratteristiche: • può essere utilizzato singolarmente o in cascata (soluzione avanzata che non tratteremo): se preso da solo gestisce fino a 8 interruzioni mentre nella configurazione più complicata può gestirne fino a 64; si tratta di un dispositivo programmabile: possiamo cioè variarne opportunamente il comportamento; si interfaccia sia col bus dati (8 bit) che con quello degli indirizzi (1 bit); è un dispositivo bifronte (rivolto sia verso il processore che verso i dispositivi periferici); il nocciolo del dispositivo ruota attorno ad alcuni registri ad 8 bit: o IMR (Interrupt Mask Register): permette di mascherare le richieste di interruzione provenienti da uno o più dispositivi (0 = non mascherato, 1 = mascherato); o IRR (Interrupt Request Register) tiene traccia dei dispositivi che hanno fatto una richiesta e che non sono riusciti ancora ad averne riscontro; o ISR (Interrupt Service Register): tiene traccia di quali sono le procedure di servizio in corso (se la richiesta iesima viene servita viene resettato il bit corrispondente in IRR e settato quello in ISR). SEQUENZA DI INTERRUZIONE: 1. una richiesta arriva all’8259;
2. viene posto ad 1 il corrispondente bit del registro IRR per segnalare che c’è stata una richiesta; 3. si valuta se la richiesta dev’essere eseguita o meno controllando l’IMR; 4. viene avanzata la richiesta di interruzione al processore (attraverso INT); 5. se IF vale 1 il processore conferma la ricezione della richiesta e invia un primo segnale di INTA; 6. l’8259 fa la cernita di quali sono i dispositivi in attesa di essere serviti e seleziona quello con priorità più alta; 7. forza ad 1 il corrisponde bit in ISR; 8. forza a 0 il corrispondente bit in IIR; 9. il processore invia un secondo impulso su INTA; 10. l’8259 scrive sul data bus il codice del dispositivo che ha fatto richiesta di interruzione; 11. il processore riceve il messaggio e attiva la procedura di servizio dell’interruzione. L’8259 è in grado di riconoscere, se adeguatamente programmato, quali siano le richieste più urgenti (cioè più prioritarie): di default, le richieste che giungono su IR0 sono le più prioritarie e quelle su IR7 le meno prioritarie (maggiore è i e minore è la priorità). Nella modalità di funzionamento detta Fully nested mode, un interrupt più prioritario può sempre interrompere l’esecuzione della procedura di servizio di un interrupt meno prioritario, mentre una richiesta su una linea IRi a minore priorità non viene servita fino al termine delle procedure di servizio associate alle precedenti (e più prioritarie) richieste. Il riconoscimento delle richieste agli IRi (cioè ai piedini) può avvenire a livello oppure sul fronte di salita: • se rileviamo a fronte l’interrupt viene generato a seguito di una transizione di un ingresso da 0 a 1. Viene quindi generato un interrupt in corrispondenza di ogni fronte positivo di un segnale d’ingresso IRi; • se rileviamo a livello l’interrupt viene riconosciuto se viene generato un livello logico alto di un ingresso Iri. A differenza della gestione a fronte, se il valore di IRi non si porta a valore logico basso prima dell’invio del comando EOI verrà generato un altro interrupt. Si noti che, affinché l’interrupt sia riconosciuto come tale, occorre che IRi permanga al valore logico 1 almeno fino al primo fronte negativo del segnale INTA*: al primo abbassamento di quest’ultimo, infatti, il PIC congela lo stato delle richieste e non ne accetta più; sul secondo abbassamento, invece, viene emesso l’interrupt type associato alla richiesta più prioritaria attiva. 3. Programmazione del PIC La programmazione del PIC passa attraverso la definizione di alcuni comandi di inizializzazione inviati dal processore. In particolare, vengono spedite: • le ICWs (Initialization Command Words): sono inviate all’inizializzazione. L’ordine delle ICW è fisso e c’è una ben precisa sequenza con la quale devono essere inviate (l’ordine è prestabilito e immutabile). o ICW1 5 ha alcuni bit notevoli: D3 (LTIM) specifica se il PIC dev’essere sensibile a fronte [= 0] o a livello [=1]; D1 (SNGL) specifica se il dispositivo è in cascata con dispositivi analoghi [=0] o meno [=1]; D0 (IC4) serve per far capire all’8259 se ci sarà una ICW4.
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L’8259 ha un unico bit d’indirizzo A0; la sequenza ICW1 è riconoscibile rispetto a tutte le altre perché ha D4 = 1.
o ICW2 riguarda la necessità per il processore di comunicare all’8259 le informazioni necessarie per poter poi generare i codici dei dispositivi che hanno fatto richiesta di interruzione. Dopo che l’8259 ha avanzato una richiesta di interruzione al processore, questo - attraverso i due impulsi di INTA - vorrà ricevere un codice (associato al dispositivo che ha fatto la richiesta) che gli permetta di sapere chi ha fatto l’interruzione. Chi dice all’8259 quali siano questi codici è la ICW2 secondo un meccanismo che prevede alcuni vincoli su quali siano questi codici: i codici devono essere contigui fra di loro (numerati in sequenza) e devono iniziare ad un valore multiplo di 8. La parola ICW2 contiene i 5 bit più significativi, comuni agli 8 codici; i 3 bit meno significativi corrispondono all’indice del piedino IR0...7 a cui è connesso il dispositivo. Es: all’inizializzazione del PIC passiamo la stringa ADDRESS EQU 1FH = 0001 1111 Con questa riga di codice diciamo all’8259 che i cinque bit più significativi sono a 11111. La parola ICW2 avrà quindi valore 1111 1XXX = F8H e gli interrupt types (specificati dai tre bit a X) andranno da F8H a FFH. o ICW3 viene usata solo quando l’8259 è connesso in cascata. o ICW4 non è obbligatoria da inviare: se non viene inviata, tuttavia, alcune funzionalità non vengono attivate. Bit notevoli: D4 (SFNM Special Fully Nested Mode), D1 (AEOI Automatic End of Interrupt). • le OCWs (Operation Command Words): possono essere inviate in qualsiasi momento per modificare la modalità di funzionamento del dispositivo. Possono essere inviate in qualunque ordine. o OCW1 permette al programmatore di caricare un valore nel registro di maschera: in questo modo si possono mascherare (ovvero ignorare) le richieste di interruzione provenienti dai dispositivi. La OCW1 viene caricata direttamente in IMR: se l’i-esimo bit di OCW1 vale 1 si forza infatti ad 1 il bit corrispondente di IMR (e si maschera perciò la rispettiva richiesta). o OCW2 permette di programmare in maniera diversa attività o aspetti legati alle priorità e all’EOI (End Of Interrupt). Ogni OCW2 permette di fare un’operazione su un canale (ovvero su uno dei piedini IR0..7 su cui arrivano le richieste di interruzione). Possiamo ad esempio voler segnalare all’8259 che è terminata la procedura di servizio della richiesta di interruzione associata ad un certo piedino: nel caso in cui il PIC sia stato spettato con il bit di AOEI = 0 (v. ICW4), è infatti a carico della CPU provvedere a resettare il bit del registro ISR corrispondente all’interrupt appena servito. Per avvisare il PIC mandiamo quindi una OCW2 apposita. o OCW3 permette di eseguire una serie di operazioni che permettono sostanzialmente di leggere i registri del processore. Quando in un esercizio è necessario programmare il PIC, bisogna scrivere la seguente sequenza, in cui andiamo a ripescare il caso del compito del 28 marzo 2007. ; Indirizzi [Questa parte non richiede sforzo di ragionamento, basta aggiungere le quantità tra parentesi all’indirizzo esadecimale (“base”) cui è mappato il PIC (nell’esempio 90H)]
ICW1 ICW2 ICW4 OCW1 OCW2
EQU EQU EQU EQU EQU
90H 91H 91H 91H 90H
; Parole di comando RESET EQU 13H ADDRESS
EQU 1FH
EN_AEOI MASK
EQU 1H EQU F8H
EOI
EQU 20H
; Inizializzazione CLI OUT ICW1, RESET OUT ICW2, ADDRESS OUT ICW4, EN_AEOI OUT OCW1, MASK STI
Base (+ 0) Base (+ 1) Base (+ 1) Base (+ 1) Base (+ 0)
; questo è fisso, serve a segnalare che l’interrupt viene ; rilevato sul fronte ; qui vanno messi i bit più significativi dell’interrupt type ; 1F = 11111 ICW2 1111 1000 = F8H ; Servirà per definire l’AEOI disabilitato (3H = abilitato) ; Questa parte va scelta con attenzione: in genere si sceglie ; di mascherare i bit relativi ai piedini non utilizzati: ; nell’esempio usiamo 3 piedini (IR0, IR1, IR2) e ; mascheriamo tutti gli altri 1111 1000 = F8H ; da inviare per segnalare la fine della routine
; mettiamo in ICW1 ; mettiamo in ICW2 ; mettiamo in ICW4 ; mettiamo in OCW1
0001 0011 0001 1111 0000 0001 (no AEOI) 1111 1000 (maschera)
4. Interrupt vs. polling Tutti i sistemi a microprocessore eseguono operazioni di input/output: questo fa scaturire una questione relativa a quando e con che cadenza il processore debba andare a prendere un nuovo dato da un dispositivo I/O (ad es. da una porta seriale). Il problema della sincronizzazione fra le varie periferiche è quindi suscettibile di due possibili soluzioni: • polling: il processore legge periodicamente il registro di stato del dispositivo tramite un ciclo software, il quale scandisce di continuo il registro di stato e quant’altro serva a capire quale sia lo stato del dispositivo periferico. Es. secsGoesOn: CMP [Setting],1 ; è premuto il pulsante set? JE exit JMP secsGoesOn Questa operazione culmina nel momento in cui il dispositivo richiede il servizio (nell’es. [Setting] va ad 1). Es(2). MOV DX, prSTAT ; prSTAT = stato della periferica (stampante) pr_n_ready: IN AL, DX ; legge lo stato della stampante TEST AL, sERR JZ pr_error ; errore TEST AL, sBUSY JZ pr_n_ready ; busy: acquisizione periodica dello stato della stampante
VANTAGGI: meccanismo semplice, non si richiede particolare supporto hardware, basta che il dispositivo abbia un suo registro di stato attraverso il quale comunicare col processore: SVANTAGGIO: il processore spreca tantissimi cicli per fare l’operazione di controllo, inutile dal punto di vista della computazione. Se abbiamo più elementi connessi a polling il processore deve scandire tutti gli elementi e spreca tantissimi cicli; questo implica inoltre che un dispositivo debba attendere che il processore interroghi il suo registro di stato prima di essere servito, ma se i dispositivi sono molto può essere che debba aspettare a lungo (elevata latenza). La tipica configurazione di un dispositivo gestito a polling, ad es. un pulsante, è quella a fianco (il pulsante SET può scrivere sul bus quando viene abilitato da CS_SET# e IORDC#). Si noti che il nostro pulsante comunica direttamente col bus dati (mentre un dispositivo gestito ad interrupt dev’essere collegato al PIC 8259). • interrupt: il processore non interroga i dispositivi di I/O, ma sono questi ultimi a contattare il processore tramite una richiesta di interruzione (interrupt). Esiste infatti un meccanismo supportato in hardware attraverso il quale le periferiche fanno sapere al processore che sono pronte ad essere servite (v. meccanismo delle interruzioni). VANTAGGI: il meccanismo dell’interrupt permette al processore di gestire liberamente il suo tempo tra un’interruzione e l’altra. Questa soluzione è quindi più performante, in quanto non fa sprecare al microprocessore neanche un ciclo per fare le insistenti e spesso inconcluse richieste a polling. Inoltre, possiamo stabilire criteri di mascheramento e priorità tramite un’opportuna programmazione del PIC (v. relativo paragrafo). La gestione ad interrupt è particolarmente adatta ai sistemi multitasking. SVANTAGGI: dobbiamo fornire supporto hardware e prevedere un controllore che si faccia carico della gestione dell’interrupt; la realizzazione è più complessa rispetto al caso polling. Esempio di flusso di programma che esegue un’operazione di I/O seguendo lo schema ad interrupt:
NOTA: l’interrupt handler trasferisce un solo dato alla volta! Spesso negli esercizi capita di risolvere problemi di “riempimento buffer”6, i quali devono essere risolti trasferendo - nel caso specifico un byte alla volta.
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Compito dell’11 gennaio 2007.
5. Meccanismo delle interruzioni Quando il processore decide di servire una richiesta d’interruzione ciò che fa è scatenare una procedura di servizio di interruzione che blocca il flusso del programma in esecuzione. Al termine della procedura (a causa della quale abbiamo lanciato l’interrupt) il programma viene riattivato da punto esatto in cui era stato interrotto, ossia in corrispondenza dell’istruzione successiva a quella eseguita per ultima. Nel generico sistema a microprocessore se abbiamo n dispositivi periferici, allora n sarà il numero degli “attori” in grado di poter avanzare una richiesta di interruzione; il processore però ha solo un piedino, quindi ci sarà bisogno di un controllore delle interruzioni che faccia da controllore e da “schedulatore” delle richieste di interrupt. Grazie a questo controllore (è il PIC 8259) vi sarà la possibilità di decidere se alcune richieste debbano essere ignorate, o se vi siano diversi stadi di priorità. Il processore si interfaccia quindi col controllore e non direttamente con i dispositivi di interrupt. Nei sistemi Intel il processore dispone di due segnali: • INT: viene portato alto per segnalare al processore che un dispositivo ha fatto richiesta di interruzione; • INTA: segnale di uscita del processore, il quale segnala di aver percepito la richiesta e richiede il codice del dispositivo. Si ha anche un flag IF (Interrupt Flag), il quale permette di abilitare/disabilitare le richieste di interruzioni: questo bit può essere modificato via software attraverso le istruzioni CLI (interdiciamo le interruzioni) e STI (riabilitiamo le interruzioni). L’IF viene automaticamente posto a 0 all’attivazione di una procedura di servizio dell’interruzione. Problemi importanti: • Come fa il processore a capire chi ha avanzato una richiesta di interrupt? La CPU richiede al controllore chi è stato attraverso un ciclo di bus apposito; come risposta, il controllore passa al microprocessore un certo codice che permette di individuare univocamente chi ha fatto la richiesta. • Una volta individuato il dispositivo, come fa il sapere quale procedura di servizio dev’essere attivata? La soluzione passa attraverso una tabella (IVR, Interrupt Vector Table, v. figura a destra), che mette in corrispondenza i codici dei vari dispositivi con le relative procedure. La IVR risiede in memoria principale e associa a ciascun codice di interruzione l’indirizzo della corrispondente procedura di servizio. Ogni entry di questa tabella viene detta interrupt type; un interrupt type è un numero naturale a 8 bit, quindi esistono 2 8 (256) possibili tipi di interruzione (0… 255). Ogni elemento della tabella occupa 4 byte, per cui la tabella avrà dimensione pari a 1 KB (M[0…3FFH]).
SCHEMA DEL PROTOCOLLO DI INTERRUZIONE 1. Un dispositivo richiede un servizio attraverso una richiesta di interruzione (mandata al PIC e non al BUS dati come avviene nel caso polling); 2. il PIC decide se quella richiesta ha da essere servita o meno, e in caso positivo inoltra quella (sola) richiesta al processore; 3. il processore riceve la richiesta e, al termine dell’istruzione che sta eseguendo in quel momento, la rileva. Se la richiesta ha le caratteristiche per essere servita, il programma in esecuzione viene interrotto; 4. viene interrogato il controllo delle interruzioni per sapere il codice del dispositivo che ha avanzato la richiesta (si passa attraverso il piedino INTA, che sta per INTerrupt Acknowledge); 5. il PIC risponde passando al microprocessore il tipo di interruzione che dev’essere servita; 6. il processore accede alla IVT e legge l’indirizzo della procedura d i servizio che dev’essere attivata; 7. parte la procedura di servizio riguardante il dispositivo che ha fatto la richiesta; 8. terminata la procedura, il processore ritorna al punto in cui era stato interrotto. LO STESSO SCHEMA DAL PUNTO DI VISTA DEL PROCESSORE (INTEL) 1. Un dispositivo esterno invia una richiesta di interruzione sul pin INTR; 2. durante l’ultimo periodo di clock di un’istruzione il processore rileva la presenza di un valore 1 su INT; 3. il processore invia un impulso su INTA per segnalare che la richiesta è stata rilevata; 4. il processore invia un secondo impulso di INTA per chiedere di leggere sul data bus il codice del dispositivo; 5. il processore legge dal data bus il codice n del device che ha richiesto l’interrupt (1 byte); 6. il processore salva nello stack il valore del registro dei flag e l’indirizzo di ritorno (CS e IP); 7. … azzera IF; 8. … accede all’interrupt vector table per prelevare l’indirizzo della procedura di servizio; 9. la procedura va in esecuzione; 10. al termine della procedura il processore ripristina dallo stack il registro dei flag e l’indirizzo di ritorno, tornando ad eseguire il programma interrotto. 6. Interfacce di I/O Il sottosistema di I/O consente la comunicazione fra il calcolatore ed il mondo esterno. Fanno parte del sottosistema i dispositivi (unità di I/O) per la comunicazione uomo/macchina (video, stampanti, terminali) e quelli utilizzati per la memorizzazione permanente delle
informazioni (unità a disco, nastri magnetici), nonché la rete. Tutte le unità di I/O sono collegate al bus di sistema mediante dispositivi detti interfacce di I/O. Il generico schema di un’interfaccia di I/O è quello visibile a fianco: grazie ad esso, l’interfaccia svolge una funzione di adattamento tra la modalità di trasferimento dei dati utilizzata all’interno del sistema (cicli di bus) e quella utilizzata dall’unità di I/O. Negli esercizi vi sono due principali modi per interfacciare un dispositivo di I/O: • tramite un 244: un 244 è un driver 3-state (schematizzabile come una “batteria di buffer”) a 8 bit strutturato in 2 gruppi da 4 bit, abilitati da EN1* ed EN2*. Esempio pratico - Interfacciamento di 8 interruttori (switch) Quando dobbiamo lavorare con gli interruttori (dai quali ad un certo punto è necessario rilevare il valore) è necessario usare un 244, prestando attenzione al fatto che il primo gruppo di bit è regolato da EN1* e il secondo da EN2* (nell’esempio non vi è bisogno di fare distinzione, ma in un compito d’esame tutto può succedere). Nell’esempio vediamo come sono stati interfacciati gli 8 interruttori mappati a 80 H; il software riportato nel riquadro si occupa di leggere lo stato degli interruttori tramite il comando IN. Altri casi in cui è stato usato un 244: trasduttore di velocità in input (non c’è necessità alcuna di memorizzare, bisogna semplicemente leggere il dato) e in generale in quasi tutti i dispositivi che comunicano in input. • attraverso un 373: questo componente è un latch a 8 bit con uscite 3-state; campiona sul fronte negativo del clock (il valore viene mantenuto fino a quando CK non torna a valore logico alto) e quando CK = 1 l’uscita riproduce l’ingresso. I latch hanno il pregio di mantenere in memoria il dato.
Esempio pratico - Interfacciamento di un display a 7 segmenti Un display a sette segmenti (v. figura pagina precedente) può essere visto ai morsetti come costituito da 7 led. L’attivazione di un segmento corrisponde all’accensione del led relativo. Risulta quindi sbagliato utilizzare un buffer 3-state (244) per interfacciare il display al sistema. In questo caso, infatti, il valore non viene mantenuto (memorizzato). Per fare ciò occorre necessariamente usare un registro o un latch. Altri casi in cui è stato utilizzato un 373: in generale nei dispositivi che comunicano in output. Alcuni aspetti importanti sulle interfacce di I/O: • generalmente un’interfaccia di I/O dispone di un insieme di registri interni a cui la CPU deve accedere. Una volta selezionato il chip (chip select CS* basso) i segnali di indirizzo (A[0.. n-1], v. figura in alto pagina precedente) consentono la selezione fra i suoi differenti registri interni (analogamente a quanto già visto per i chip di memoria). Per accedere ai registri interni è necessario scrivere una certa configurazione binaria (control word7) sul registro di controllo. Generalmente si usa la direttiva EQU per definire degli identificatori associati alle costanti che rappresentano gli indirizzi dei registri e la control word: es. ControlWord EQU D4H BufferInRegister EQU 80H • le interfacce di I/O devono poter funzionare secondo un certo insieme di modalità differenti (ad es. un’interfaccia per comunicazioni seriali asincrone RS232 deve poter scambiare dati con un modem impiegando trame e frequenze differenti). Conseguentemente le interfacce di I/O sono tipicamente programmabili: sono presenti cioè al loro interno un certo numero di registri di controllo che vengono scritti dalla CPU all’atto dell’inizializzazione del dispositivo per impostare la modalità di funzionamento desiderata. Ad esempio, questa potrebbe essere una porzione di programma in grado di occuparsi di inizializzare tutte le periferiche programmabili presenti nel sistema: MOV AL, ControlWord OUT ControlRegister, AL (ControlRegister è l’indirizzo del relativo spazio di I/O) • strettamente associata alla funzionalità di adattamento fra calcolatore e l’unità di I/O è la presenza all’interno dell’interfaccia di registri di appoggio (“buffer”) utilizzati nei trasferimenti dei dati da CPU ad unità di I/O e viceversa. Per inviare un dato all’unità di I/O la CPU effettua una scrittura del dato su un buffer dell’interfaccia, da cui poi quest’ultima si occupa di trasferire il dato all’unità di I/O. Per prelevare un dato dall’unità di I/O la CPU effettua una lettura da un buffer dell’interfaccia, su cui quest’ultima ha precedentemente appoggiato il dato proveniente dall’unità di I/O. Esempi: o Trasferimento dati: INPUT IN AL, BufferIn (AL contenuto del registro mappato a “BufferIn”) MOV DatiIn[SI], AL (casella indice SI vettore DatiIn AL) INC SI (incrementiamo l’indice del vettore)
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Una parola di controllo è un byte che viene trasmesso alla porta di controllo attraverso il bus dati.
o Trasferimento dati: OUTPUT MOV AL, DatiOut[SI] (AL casella indice SI vettore DatiOut) OUT BufferOut, AL (AL contenuto del registro mappato a “BufferOut”) INC SI (incrementiamo l’indice del vettore) Si noti che in entrambi gli esempi le interfacce trasferiscono un dato alla volta! • di norma le unità di I/O lavorano in modo asincrono rispetto al funzionamento della CPU e sono molto più lente di quest’ultima. Si rende quindi necessario introdurre all’interno dell’interfaccia di I/O un qualche meccanismo di sincronizzazione fra l’attività svolta dalla CPU e quella svolta dall’unità di I/O. Per maggiori delucidazioni si rimanda ai paragrafi introduttivi sulle politiche di interrupt e polling, nonché a quello successivo (con esempi software); • tipicamente le interfacce di I/O dispongono di registri di stato (es. bufferFull, ledOn, deviceReady…) tramite cui vengono rese disponibili alla CPU tutte le informazioni necessarie per la sincronizzazione con l’unità di I/O. Ogni qual volta il programma ha necessità di leggere lo stato della periferica (ad es. per controllare se ci sono stati errori), il programmatore userà un istruzione del tipo: IN AL, StatusRegister (caricamento in AL del contenuto del registro mappato dove indica StatusRegister) • in aggiunta a ciò i registri di stato situati all’interno di un’interfaccia di I/O sono spesso utilizzati per segnalare alla CPU il verificarsi di eventuali condizioni di malfunzionamento o errore (es. errore di parità nelle comunicazioni seriali). 7. Interrupt vs. polling: qualche esempio software Esempio 1 (polling) In questo esempio viene mostrato il flusso di un programma che esegue una’operazione di input a polling: si nota infatti che viene consultato il registro Status per vedere se il buffer è stato completamente riempito (BIF = 1). Solo al riempimento totale del buffer si inizia a leggere il buffer e a portare in memoria i dati (in DatiIn), sempre un elemento alla volta. Soltanto al termine dell’operazione di I/O il ciclo terminerà di effettuare il suo trasferimento. Esempio 2 (polling) Il problema che esaminiamo consiste nel: • trasferire i byte provenienti da un’interfaccia d’ingresso (mappata a 80H) verso una d’uscita (mappata a 100H); • memorizzare i dati ricevuti in un vettore BUF_IN di 1 KB;
• chiamare la procedura CALCOLA quando BUF_IN è pieno. Vi sono due registri importanti: • BIF (Buffer In Full) posizione 0; • BOE (Buffer Out Empty) posizione 1. E disponiamo di quattro registri interni: • 00: Buffer IN • 01: Buffer OUT • 10: Status • 11: Control PUNTO 1: mappiamo le variabili e le costanti Abbiamo tantissime costanti, visto che ci fa comodo dare nomi simbolici a tutti gli indirizzi dei vari registri. IN_BufferIN ---IN_Status IN_Control
EQU 80H ---EQU 82H EQU 83H
---OUT_BufferOUT OUT_Status OUT_Control
---EQU 101H EQU 102H EQU 103H
IN_ControlWord
EQU 33H
OUT_ControlWord EQU 62H
MASK_BIT0
EQU 1H
MASK_BIT1
BUF_IN
DB
EQU 2H
1024
Risoluzione del problema a polling: Main:
Poll_IN:
MOV OUT MOV OUT MOV IN AND
AL, IN_ControlWord IN_Control, AL AL, OUT_ControlWord OUT_Control, AL SI, 0 AL, IN_Status AL, MASK_BIT0
CMP JE
AL, 0 Poll_IN
IN MOV MOV INC CMP JNE
AL, IN_BufferIN BL, AL BUF_IN[SI], BL SI SI, 1024 Poll_OUT
MOV
SI, 0
; programmazione interfacce: ; mandiamo al dispositivo le direttive per ; effettuare l’input/output ; inizializzazione indice buffer in memoria ; polling sull’interfaccia d’ingresso ; si fa l’AND con 1: in questo modo ; rispettiamo la maschera che abilita solo IR0 ; se ancora non si ha niente ; ricomincia il ciclo ; altrimenti… ; leggiamo un nuovo dato ; copiamo AL in BL ; e scriviamo il dato in memoria ; incrementiamo l’indice ; letto il KB? ; se non l’abbiamo ancora letto, passiamo a ; Poll_OUT (trasferimento dati in uscita) ; sennò abbiamo finito di trasferire i dati: ; si resetta l’indice SI per il prossimo giro
Poll_OUT:
CALL
CALCOLA
; chiamiamo la procedura CALCOLA
IN AND CMP JE OUT JMP
AL, OUT_Status AL, MASK_BIT1 AL, 0 Poll_OUT OUT_BufferOUT, BL Poll_IN
; polling sull’interfaccia d’uscita
; invio in uscita del dato ricevuto ; ho inviato: pronto a ricevere
Schematicamente: MAIN: Main:
•
MOV OUT MOV OUT MOV
AL, IN_ControlWord IN_Control, AL AL, OUT_ControlWord OUT_Control, AL SI, 0
; programmazione interfacce: ; mandiamo al dispositivo le direttive per ; effettuare l’input/output ; inizializzazione indice buffer in memoria
programmiamo le interfacce e spediamo le relative control word con due comandi di OUT. In questo modo diamo le direttive necessarie affinché tutto funzioni come voluto. Quasi sempre nel main capita di dover inizializzare delle variabili, oppure qualche indice che servirà per scorrere il buffer.
POLL_IN: Poll_IN:
•
IN AND
AL, IN_Status AL, MASK_BIT0
CMP JE
AL, 0 Poll_IN
IN MOV MOV INC CMP JNE
AL, IN_BufferIN BL, AL BUF_IN[SI], BL SI SI, 1024 Poll_OUT
MOV
SI, 0
CALL
CALCOLA
; polling sull’interfaccia d’ingresso ; si fa l’AND con 1: in questo modo ; rispettiamo la maschera che abilita solo IR0 ; se ancora non si ha niente ; ricomincia il ciclo ; altrimenti… ; leggiamo un nuovo dato ; copiamo AL in BL ; e scriviamo il dato in memoria ; incrementiamo l’indice ; letto il KB? ; se non l’abbiamo ancora letto, passiamo a ; Poll_OUT (trasferimento dati in uscita) ; sennò abbiamo finito di trasferire i dati: ; si resetta l’indice SI per il prossimo giro ; chiamiamo la procedura CALCOLA
in questa parte compaiono le tipiche istruzioni per il trasferimento dati (input) e si effettuano alcuni controlli: quello tipico del polling (si ha qualcosa da ricevere? se sì procedi, sennò ricontrolla) e quello di fine lettura del KB (se abbiamo finito di leggere allora abbiamo anche finito di trasferire quindi non saltiamo a Poll_OUT ma procediamo con CALCOLA).
POLL_OUT: Poll_OUT:
•
IN AND CMP JE OUT JMP
AL, OUT_Status AL, MASK_BIT1 AL, 0 Poll_OUT OUT_BufferOUT, BL Poll_IN
; polling sull’interfaccia d’uscita
; invio in uscita del dato ricevuto ; ho inviato: pronto a ricevere
queste righe di codice sono dedicate al trasferimento del dato in uscita: anche qui è presente un’operazione di polling (questa volta sull’interfaccia d’uscita). Si fa uso di BL, in precedenza creato come duplicato di AL, perché quest’ultimo registro viene modificato e poi fatto passare attraverso l’operazione logica di AND.
Esempio 3 (interrupt) Possiamo complicare a piacimento la situazione rispetto a quella trattata nell’esempio 2, supponendo che il sistema debba contemporaneamente gestire un orologio.
Lo scopo è quello di mostrare quanto tempo è trascorso dall’avvio del sistema; è inoltre disponibile un’onda quadra con frequenza 1 Hz. Casi come questo sono tipicamente trattati ad interrupt; si sa che lo scorrere dei secondi avviene con una cadenza tale che rende inutile far continuamente chiedere al processore (magari ogni microsecondo): “Scusa, ma è scattato il secondo?”. Si perderebbero inutilmente tantissimi cicli di clock che possono essere molto meglio impiegati. Ecco allora come si agisce: • si collega all’ingresso INT della CPU il segnale a 1 Hz, in modo che si abbia un’interruzione al secondo; • si memorizzano ore minuti e secondi in delle variabili in memoria: Ore DB 0 Minuti DB 0 Secondi DB 0 (NOTA: con questa sintassi si inizializzano delle variabili di 1 byte inizialmente poste a zero) • si interfaccia il nostro orologio (mappato a 200H), il quale dispone di tre registri contenenti ore, minuti e secondi correnti: CLOCK_H EQU 200H CLOCK_M EQU 201H CLOCK_S EQU 202H Programmazione ad interrupt per l’orologio CLOCK_INT :
End:
PUSH AX
INC
[Secondi]
CMP JNE MOV INC CMP JNE MOV INC CMP JNE MOV MOV
[Secondi], 60 End [Secondi], 0 [Minuti] [Minuti], 60 End [Minuti], 0 [Ore] [Ore], 24 End [Ore], 0 AL, [Secondi]
; all’inizio di ogni routine di interrupt bisogna ; effettuare un “prologo”, durante il quale andiamo ; a collocare sullo stack le variabili di contesto che ; dovranno essere ripristinate al termine nella fase ; detta “epilogo” (il termine della procedura) ; facciamo andare avanti i secondi (abbiamo avuto ; un interrupt dal segnale di onda con periodo 1 s ; abbiamo fatto un minuto? ; se no, vai a End, altrimenti… ; bisogna resettare i secondi e ; aumentare i minuti di uno! ; abbiamo fatto un’ora? ; se no, vai a End, altrimenti… ; bisogna resettare i minuti e ; aumentare le ore di uno! ; abbiamo fatto un giorno? ; se no, vai a End, altrimenti… ; resetta le ore! ; dobbiamo aggiornare il display: … secondi….
OUT MOV OUT MOV OUT POP
CLOCK_S, AL AL, [Minuti] CLOCK_M, AL AL, [ore] CLOCK_H, AL AX
IRET
; ; dobbiamo aggiornare il display: … minuti…. ; ; dobbiamo aggiornare il display: … ore! ; ripristino del contesto (faccio il pop di tutto ciò ; che avevamo push-ato nel prologo): questa parte ; viene detta “epilogo” ; con questo comando usciamo dalla routine di ; interrupt
Programmazione ad interrupt per l’interfaccia Main:
CLI MOV AL, IN_ControlWord OUT IN_Control, AL MOV AL, OUT_ControlWord OUT OUT_Control, AL MOV [1k_done], 0
MOV [Index], 0 STI
; Disabilitazione interrupt (all’inizializzazione ; non devono disturbare!) ; Programmazione interfacce tramite parole di ; comando ; spediamo la prima parola ; spediamo la seconda parola ; Inizializzazione variabili: la variabile ; [1k_done] indica al main l’avvenuta ; ricezione di 1 KB ; indice del vettore a 0 ; Abilitazione interrupt
NOTA: spesso il main viene racchiuso da CLI - STI perché contiene l’inizializzazione del programma, che non dev’essere interrotta per nessun motivo.
Loop:
Utile:
CMP [1k_done], 1 JNE Utile MOV [1k_done], 0 CALL CALCOLA … … … JMP Loop
; Sincronizzazione: hai finito di trasferire? ; Se no, torna al lavoro utile… ; altrimenti resetta la variabile 1k_done ; e chiama la procedura “CALCOLA” ; Il main in attesa che le operazioni di I/O ; vengano completate può eseguire delle ; operazioni utili…
… … … RX_INT:
PUSH AX PUSH SI MOV SI, [Index] IN AL, IN_BufferIN MOV BUF_IN[SI], AL INC [Index]
; PROLOGO ; Mettiamo l’indice corrente nel registro SI ; Lettura del nuovo dato ; Scrittura in BUF_IN (memoria) del dato ricevuto ; incremento dell’indice
CMP JNE MOV MOV send_OUT: OUT POP POP RETI
[Index], 1024 ; Letti 1K dati? send_OUT ; se no, bisogna spedire [Index], 0 ; altrimenti resettiamo l’indice [1k_done], 1 ; e segnaliamo di aver terminato il KB di dati OUT_BufferOUT, AL ; Invio in uscita del dato ricevuto SI ; EPILOGO AX
Si noti che questa routine di interrupt (ma si tenga presente che non viene conteggiato il main) è più snella della sua controparte polling.
8. Comunicazioni seriali Esistono due modalità diverse di trasferimento dei dati tra due sistemi, distinte dal numero di segnali che connettono il trasmettitore col ricevitore: • comunicazione parallela: maggiore velocità (ad es. vengono spediti 8 bit alla volta), maggior costo. Viene adottata quando la distanza tra ricevitore e trasmettitore è relativamente ridotta; • comunicazione in serie: minore velocità (viene spedito un bit alla volta), minor costo, viene usata laddove la distanza tra il trasmettitore e il ricevitore è significativa (per es. superiore al metro).
Sincronismo di ricezione In una trasmissione seriale il dispositivo ricevente, per poter decodificare ed interpretare correttamente i dati ricevuti, deve sapere: • quando campionare la linea per identificare il valore di ciascun bit (deve cioè acquisire il sincronismo di clock)… • … quando inizia e finisce ciascun gruppo di bit o carattere (sincronismo di carattere), • … nonché quando inizia e finisce ciascun blocco d’informazione (sincronismo di frame). Inoltre: • dev’essere in grado di conoscere il formato dei frames; • deve lavorare alla stessa frequenza del trasmettitore (e avere uguale bit-rate); Problema di conversione S/P e P/S Il mondo dei sistemi a microprocessore è un mondo che lavora in parallelo (v. bus, memorie…), ma noi dobbiamo interfacciarlo col mondo seriale della linea; se andiamo a vedere cosa succede quando si realizza una trasmissione seriale osserveremo che il trasmettitore riceverà dal processore (in parallelo) il dato da inviare, lo serializzerà e poi lo invierà. Lo shift register, ovvero
colui che si incarica di effettuare la conversione P/S, è quindi un componente fondamentale in questo processo. Questi bit, una volta trasmessi, verranno presi dal ricevitore che dovrà lavorare nel senso opposto (parallelizzarli per mandarli sul bus). Alla fine di questa operazione il dato sarà parallelizzato e fornito al sistema ricevente. Trasmissioni seriali sincrone e asincrone Possiamo adottare due soluzioni: • sincrona: trasmettitore e ricevitore condividono uno stesso segnale di clock (avente frequenza pari al bit-rate) che aiuta loro ad individuare dove stiano temporalmente i bit. Più precisamente, il trasmettitore e il ricevitore si scambiano i dati su un canale ed il segnale di temporizzazione su una seconda linea. È la più semplice tra le due modalità (sincrona e asincrona), ma bisogna prestare attenzione al fatto che il segnale fisico di clock può subire consistenti ritardi e/o sfasamento se i dispositivi in collegamento sono lontani: per questo si usa collegare in questo modo due dispositivi vicini (spesso sulla stessa scheda). Durante i periodi di inattività il trasmettitore invia dei caratteri, detti di sincronismo; il loro scopo è infatti quello di mantenere il sincronismo di carattere fra i due dispositivi che, grazie a questa strategia, continuano a sapere dove finisce un carattere e inizia quello successivo, rendendo superflua la ri-sincronizzazione. Proprio perché sono a tutti gli effetti occupati dalla trasmissione di carattere, tali periodi di inattività hanno una durata multipla di quella necessaria per la trasmissione di un singolo carattere; • asincrona: trasmettitore e ricevitore non condividono alcun clock8 e quindi c’è bisogno di sincronizzarli in qualche altro modo: in particolare, il trasmettitore genererà e invierà al ricevitore un unico segnale contenente sia le informazioni di temporizzazione che i dati; il ricevitore, di contro, utilizzerà questo segnale sia per rifasare il proprio clock tramite un circuito PLL (Phase Lock Loop) sia per estrarre i dati. Inoltre, nel caso asincrono, la sincronizzazione è in termini più di fase che di frequenza, visto che i dispositivi ricevono i segnali di clock alla stessa frequenza nominale. Questo è possibile dal momento che essi ricevono (in fase di programmazione) una costante k (detta fattore di scalamento), fondamentale perché attraverso di essa i due dispositivi acquisiscono l’informazione sulla frequenza cui avviene la trasmissione: in particolare, un bit viene trasmesso ogni k colpi di clock. NOTA: nella trasmissione asincrona, se il trasmettitore non trasmette nulla, la linea è vuota (contrariamente a ciò che avviene nella trasmissione sincrona). Caso esemplificativo di comunicazione seriale9 1. la linea è inattiva; 2. start bit (è uno soltanto e va al valore logico basso): serve per far capire quando inizia la trama; 3. data bits: qui è contenuto il dato vero e proprio; 4. parity bit: fornisce una indicazione sul verificarsi o 8 ATTENZIONE - Non è che non ci sia il clock: il clock - anzi, i clock, uno per componente - ci sono eccome… il problema è condividerli visto che non sono già in partenza sincronizzati fra i componenti. 9 Per maggiori dettagli si faccia riferimento alla figura.
meno di un errore di trasmissione; 5. stop bit: fanno capire al ricevitore che la trama è finita.
Dispositivo 8250 e protocollo RS-232 Il dispositivo 8250 appartiene alla categoria degli UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter). Trattasi inoltre di un dispositivo programmabile: l’utente può infatti specificarne le caratteristiche di funzionamento attraverso opportune parole di controllo. Supporta l’RS-232, protocollo/standard elettrico per le comunicazioni seriali usato spesso nelle comunicazioni coi modem, e supporta la trasmissione asincrona. In figura a destra vediamo lo schema dell’interfaccia e possiamo distinguere alcuni fondamentali gruppi di bit: • segnali di indirizzo A[0..2]; • collegamento al bus dati D[0..7]; • chip select (CS); • comandi di read e write (per operazioni di lettura e scrittura) sui registri interni; • il segnale INT per richiamare l’attenzione del processore. Abbiamo però anche dei registri nonché dei segnali “nuovi”: • registri di DATO o receiver buffer register (RBR): qui va a finire il dato una volta ricevuto dalla linea seriale. Il bit meno significativo del registro contiene il bit ricevuto per primo; o transmitter holding register (THR): è il registro in cui il processore scrive il dato da trasmettere sulla linea, una volta serializzato (è il registro simmetrico del RBR). Il bit meno significativo del registro contiene il bit che dev’essere trasmesso per primo; • registri di STATO o line status register (LSR): è un registro di sola lettura che serve per conoscere lo stato della linea; LSR0: va a 1 quando è stato ricevuto un nuovo carattere ed è disponibile il RBR; LSR1: va a 1 in corrispondenza di un errore di overrun, cioè quando in ricezione l’8250 ha acquisito un carattere, l’ha scritto nel buffer e tuttavia il processore non
•
è stato sufficientemente veloce a leggere questo dato cosicché ne è arrivato un altro che l’ha sovrascritto; LSR2: bit di parità (è a 1 quando c’è un errore di parità); LSR3: server per il frame error, quando l’8250 si aspetta di ricevere un 1 e invece riceve 0 (non rileva il bit di stop); LSR4: va a 1 quando l’8250 non riceve nulla (linea inattiva); LSR5: quando è 1 il dato nel registro è pronto; o interrupt identification register (IIR): identifica la richiesta di interruzione; registri di CONTROLLO o line control register (LCR): è accessibile in lettura e serve a capire lo stato delle richieste di interruzione nonché per forzare alcuni parametri significativi che caratterizzano il modo di funzionamento (ad es. formato della trama); L0 e L1: determinano numero di bit per carattere; L2: definisce il numero di bit di stop (1,5 carattere a 5 bit, 2 se sono più di 5); L3: riguarda bit di parità (ed è posto a 1 se si desidera il bit di parità); o interrupt enable register (IER): grazie ad esso il processore più decidere (in maniera selettiva) se l’8250 può scatenare richieste di interruzione; le interruzioni (ad es. buffer di ricezione pieno, buffer di trasmissione vuoto, errore di ricezione, etc.) vengono gestite con un certo criterio di priorità: di default, le richieste di interruzione a priorità più bassa sono bloccate se pende una richiesta a priorità più alta (la priorità massima è quella a livello zero); o division latch register (DLR): è registro a 16 bit strutturato in 2 registri da 8 bit, (DLL e DLM); attraverso questi registri comunichiamo il parametro k di scalamento e quindi determiniamo il bit-rate (sia per la trasmissione che per la ricezione). Più precisamente, il dispositivo ricava il proprio bit rate come: bit-rate = frequenza di pilotaggio / (16* costante di tempo) La costante di tempo dice di quante volte dev’essere scalata la frequenza di pilotaggio: si veda la tabella per determinarla in base al caso (la tabella è stata calcolata sulla frequenza F = 1,8432 MHz).
Infine, l’8250 ha un insieme di segnali di controllo utilizzabili per interfacciarsi con un modem secondo le modalità dello standard RS-232.
9. Comunicazioni seriali: un po’ di codici Anzitutto, ecco due esempi di mapping nello spazio di I/O per le interfacce 8250: REGISTRO COM1 COM2 RBR,THR,DLL 03F8H 02F8H IER,DLM 03F9H 02F9H IIR 03FAH 02FAH LCR 03FBH 02FBH MCR 03FCH 02FCH LSR 03FDH 02FDH MSR 03FEH 02FEH Ecco come avviene l’inizializzazione dell’interfaccia COM1: ; La procedura inizializza COM1 : bit-rate 9600, 8 bit per carattere, parità pari, 1 stop bit ini_com1 PROC FAR PUSH AX ; prologo PUSH DX ; DLAB = 1 per accedere a DLM e DLL MOV DX, LCR ; mettiamo 80H = 1000 0000 MOV AL, 80H ; in LCR in modo da forzare DLAB = 1 (DLAB è il bit LCR8) OUT DX, AL ; bit rate = 9600 -> DLL = 000CH (diviso in 00 DLM e 0C DLL) MOV DX, DLM MOV AL, 00H OUT DX, AL MOV DX, DLL MOV AL, 0CH OUT DX, AL ; 8 bit per car., 1 stop bit, parità pari, DLAB = 0 ; LCR = 1BH = 0001 1100 MOV DX, LCR MOV AL, 1BH OUT DX, AL ; “clear” di IER (= 00H) per disabilitare le interruzioni MOV DX, IER MOV AL, 00H OUT DX, AL ; lettura iniziale per svuotare il buffer di ricezione MOV DX, RBR IN AL, DX POP DX POP AX RET ini_com1 ENDP
; epilogo
Lettura e scrittura su COM1 in modalità “polling” read_com1 PROC FAR ; la procedura legge un carattere da COM1 ; e lo restituisce in AL
write_com1 PROC FAR ; la procedura scrive su COM1 il carattere passato ; in AL
PUSH DX ; attesa che il buffer di ricezione sia pieno: il bit 0 ; del registro LSR fornisce lo stato del buffer di ; ricezione ( 1 = pieno, 0 = vuoto )
wait_pieno:
MOV DX, LSR IN AL, DX CMP AL, 01H ( 0000 0001) JZ wait_pieno
; lettura del carattere ricevuto MOV DX, RBR IN AL, DX POP DX RET read_com1 ENDP
PUSH DX PUSH AX ; attesa che il buffer di trasmissione sia vuoto: ; il bit 5 del registro LSR fornisce lo stato del buffer ; di trasmissione (1 = vuoto, 0 = pieno) MOV DX, LSR wait_vuoto:
IN AL, DX CMP AL, 20H ( 0010 0000) JZ wait_vuoto
; scrittura del carattere da trasmettere MOV DX, THR POP AX OUT DX, AL POP DX RET write_com1 ENDP