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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第九章 自陷程序和子程序9.1 LC-3自陷程序9.1.1 介紹 回憶先前一章的圖8.5的程序，為了成功地獲得從鍵盤輸入，程序員需要知道以下幾件事情（第8章）：1、鍵盤與顯示器的硬件數(shù)據(jù)寄存器：顯示器的數(shù)據(jù)寄存器是為了能夠顯示一個提示符，而鍵盤數(shù)據(jù)寄存器則是讓程序知道到哪兒去尋找輸入的字符。2、鍵盤與顯示器的硬件狀態(tài)寄存器：顯示器的狀態(tài)寄存器是為了讓程序知道什么時候可以顯示提示符中的下一個字符，而鍵盤狀態(tài)寄存器則讓程序知道什么時候有人鍵入了一個字符。3、鍵盤輸入和執(zhí)行程序之間的異步關(guān)系。 這是大多數(shù)應(yīng)用程序員不知道的知識。實際上，在現(xiàn)實中，如果應(yīng)用程序員（或有時稱為“

2、用戶程序員”）必須在這個層面上理解輸入與輸出，那么在商業(yè)上將會很少運用輸入/輸出，程序員也會大大減少。 另外，如果允許用戶程序員直接訪問KBDR和KBSR等來實現(xiàn)輸入/輸出的行為，將會造成另外一個問題出現(xiàn)。輸入/輸出行為包含了被許多程序所共享的設(shè)備寄存器的使用，這就意味著，如果一個用戶程序員被允許訪問硬件寄存器，他/她沒有謹(jǐn)慎處理，這會給其他用戶程序制造混亂。這樣，讓用戶程序員訪問這些寄存器是不明智的。我們說硬件寄存器是有特權(quán)的，那些不擁有適當(dāng)特權(quán)級別的程序是不能訪問它們的。特權(quán)的概念帶來了一大堆麻煩。不幸的是，我們在這里不能做更多的涉及，把它留給以后做更認(rèn)真的處理?，F(xiàn)在，我們只是注意到這里有

3、用戶程序不能訪問的資源，只有那些被賦予足夠特權(quán)的程序才可以控制它們，而沒有特權(quán)的程序則不可以。說完這些，我們繼續(xù)手頭上的問題，如何“更好”的解決需要輸入和/或輸出的用戶程序。一個更簡單同時也是更安全的解決需要I/O的用戶程序問題的方案包括自陷（TRAP）指令和操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)擁有適當(dāng)?shù)奶貦?quán)級別。我們已經(jīng)在第5章介紹了TRAP指令。我們看到，在某些任務(wù)中，用戶程序通過調(diào)用TRAP指令使操作系統(tǒng)做這個工作。這樣，用戶程序不必要知道前面提到的復(fù)雜的細(xì)節(jié)，并且其他用戶程序也會被保護(hù)起來，避免用戶程序員的不恰當(dāng)行為的后果。圖9.1顯示了一個用戶程序在到達(dá)地址x4000時，需要執(zhí)行一個輸入輸出任務(wù)。用戶

4、程序請求操作系統(tǒng)代表它完成這個任務(wù)。操作系統(tǒng)控制機(jī)器，處理TRAP指令指定的請求，然后把控制權(quán)返還給用戶程序。我們經(jīng)常把這個用戶程序的請求稱為服務(wù)調(diào)用或系統(tǒng)調(diào)用。9.1.2 TRAP機(jī)制 TRAP機(jī)制包括一些要素，如下：1、 一組由操作系統(tǒng)代表用戶程序去執(zhí)行的服務(wù)程序。它們是操作系統(tǒng)的一部分，在存儲器中的起始地址是任意的。LC-3被設(shè)計為總共可以識別256個服務(wù)程序。附錄A中的表A.2包含了LC-3現(xiàn)有的操作系統(tǒng)服務(wù)程序的完整列表。2、 這256個服務(wù)程序的起始地址的一張表。這張表被存儲在存儲單元的x0000到x00FF中。不同的公司對這張表有不同的命名，一家公司叫它系統(tǒng)控制塊，另一家公司叫它

5、Trap向量表。圖9.2提供了一個LC-3的Trap向量表的瞬態(tài)圖。在這些起始地址中，字符輸出服務(wù)程序（單元x0430）包含在單元x0021中；鍵盤輸入服務(wù)程序（單元x04A0）包含在單元x0023中，還有，停機(jī)服務(wù)程序（單元xFD70）包含在單元x0025中。3、TRAP指令。當(dāng)用戶程序希望讓操作系統(tǒng)代表用戶程序執(zhí)行某一個服務(wù)程序，然后把控制權(quán)交還給用戶程序時，用戶程序使用TRAP指令。4、返回用戶程序的一個鏈接。服務(wù)程序必須有一種可以把控制權(quán)交還給用戶程序的機(jī)制。9.1.3 TRAP指令TRAP指令通過做兩件事實現(xiàn)服務(wù)程序的執(zhí)行：l 它根據(jù)它的trap向量，改變PC的值為相應(yīng)的服務(wù)程序的首

6、地址。l 它提供了一個返回調(diào)用TRAP指令的程序的路徑。這個返回路徑指的是鏈接。TRAP指令說明如下。TRAP指令由兩部分組成：TRAP的操作碼1111和trap向量（7:0位）。11:8 位必須為0。trap向量標(biāo)識了用戶程序希望操作系統(tǒng)執(zhí)行的程序。在下面的例子中，trap向量是x23。15141312111098765432101111000000100011TRAPTRAP向量在TRAP指令的指令周期的執(zhí)行階段，做4件事：1、 8位的trap向量通過零擴(kuò)展到16位而形成一個地址，該地址被加載到MAR。對于trap向量x23，地址就是x0023，它是TRAP向量表中的一條記錄的地址；2、

7、TRAP向量表位于存儲單元x0000到x00FF中。位于x0023中的紀(jì)錄被讀取，它的內(nèi)容是x04A0（如圖9.2），被加載到MDR中；3、 通用寄存器R7被加載為PC中的當(dāng)前內(nèi)容。這會給用戶程序提供一個返回路徑，這一點馬上就會變得更清楚；4、 MDR的內(nèi)容被加載到PC中，完成這個指令周期。由于PC現(xiàn)在包含了x04A0，所以處理從存儲單元x04A0繼續(xù)下去。地址x04A0是從鍵盤輸入一個字符的操作系統(tǒng)服務(wù)程序的起始地址。我們說trap向量指向TRAP程序的起始地址。因此，TRAP x23使操作系統(tǒng)開始執(zhí)行鍵盤輸入服務(wù)程序。為了返回到位于用戶程序中的TRAP指令之后的指令（在執(zhí)行完服務(wù)程序之后）

8、，必須有一個機(jī)制保存用戶程序的下一條指令的地址。在上面列出的執(zhí)行階段的第3步提供了這個鏈接。在把服務(wù)程序的起始地址加載到PC之前，通過在R7中保存PC的值，TRAP指令為服務(wù)程序提供了將控制返回到用戶程序的適當(dāng)單元的全部信息。你知道，PC已經(jīng)被更新（在TRAP指令的取指令階段），指向下一條指令。這樣，TRAP服務(wù)程序開始執(zhí)行，R7包含了緊跟在TRAP指令之后的用戶程序指令的地址。9.1.4 完整的機(jī)制我們已經(jīng)詳細(xì)的顯示了TRAP指令如何調(diào)用服務(wù)程序來實現(xiàn)程序的命令，我們也顯示了TRAP指令如何提供服務(wù)程序需要的將控制返回到用戶程序的正確位置的信息。剩下的唯一的事就是顯示將控制返回到用戶程序的正

9、確位置的服務(wù)程序中的真正的指令?；貞浀?章的JMP指令。假設(shè)在TRAP服務(wù)程序執(zhí)行的過程中，R7的內(nèi)容未被改變。如果是那樣的話，通過在TRAP服務(wù)程序的最后執(zhí)行一條JMP R7指令，控制就可以返回到用戶程序的正確位置。圖9.3顯示了LC-3使用TRAP和JMP指令來完成圖9.1的例子?？刂屏鲝囊粋€需要從鍵盤輸入字符的用戶程序開始（A），到代表用戶程序執(zhí)行此任務(wù)的操作系統(tǒng)服務(wù)程序（B），再返回到可能會使用在輸入字符中包含的信息的用戶程序（C）?；貞浻嬎銠C(jī)繼續(xù)執(zhí)行指令周期（取指令，譯碼等），正如你所知道的，改變控制流的方式就是在當(dāng)前指令的執(zhí)行階段，改變PC中的內(nèi)容。這樣，下一次取指令階段讀取的將是

10、改變了方向的地址。因此，要調(diào)用字符輸入服務(wù)程序，我們調(diào)用使用了trap向量x23的TRAP指令。該指令的執(zhí)行使存儲單元x0023的內(nèi)容（在這個例子里包含了x04A0）被加載進(jìn)PC，同時緊跟在TRAP指令之后的指令地址被加載到R7中。圖9.3中的虛線顯示了使用trap向量從trap向量表中獲得TRAP服務(wù)程序的起始地址。下一個指令周期從取得x04A0的內(nèi)容開始，也就是請求（接受）鍵盤輸入的操作系統(tǒng)服務(wù)程序的第一條指令。我們馬上就看到的那段服務(wù)程序，跟我們在8.4節(jié)中學(xué)過的鍵盤輸入程序是一樣的?；貞浤且欢瓮暾妮斎氤绦颍▓D8.5），R0包含了那個鍵入的鍵的ASCII碼。TRAP服務(wù)程序以JMP R

11、7指令結(jié)束。JMP R7指令的執(zhí)行，將PC加載為R7的內(nèi)容。如果R7在執(zhí)行服務(wù)程序期間沒有改變，它將會包含原始的用戶程序中緊跟著TRAP指令之后的那條指令的地址。因此，用戶程序繼續(xù)執(zhí)行，且R0包含了從鍵盤輸入的字符的ASCII碼。JMP R7指令對于返回用戶程序提供了如此的便利，以至LC-3匯編程序為這條指令提供了一個助記符RET，如下所示：15141312111098765432101100000111000000RET下面的程序被用來說明TRAP指令的使用。它也可以被用來逗一個4歲的孩子玩！例9.1寫一個做如下事情的游戲程序：一個人坐在鍵盤前，每次這個人鍵入一個大寫字符，程序輸出該字符的小

12、寫。如果此人鍵入了一個7，程序結(jié)束。下面的LC-3匯編程序作了該工作。 01            .ORIGx3000  02            LDR2, TERM; 加載 -7 03           LDR3,ASC;

13、0;加載ASCII 碼的差值 04AGAINTRAPx23; 請求鍵盤輸入 05            ADDR1, R2, R0; 測試是否是終止字符 06            BRzEXIT       07    

14、0;       ADDR0, R0, R3; 改變?yōu)樾懽帜?#160;08            TRAPx21; 輸出到顯示器 09           BRnzpAGAIN; 再做一次 0ATERM.FILLxFFC9;  xFFC9是7的ASCII碼的負(fù)數(shù)&#

15、160;0BASC    .FILLx0020    0CEXIT      TRAPx25  停機(jī)0D .END程序執(zhí)行如下。首先它分別將xFFC9和x0020讀入R2和R3。常數(shù)xFFC9是7的ASCII碼的負(fù)數(shù)，它是用來測試鍵盤上輸入的字符，看這個四歲的孩子是否想繼續(xù)玩。常數(shù)x0020是一個大寫字母與其小寫表示的ASCII碼之間的差的零擴(kuò)展。例如，A的ASCII碼是x41而a的ASCII碼是x61。Z和z的ASCII碼分別是x5A和x7A。然后執(zhí)行TRAP x23，它調(diào)用鍵盤輸入服務(wù)程序。當(dāng)服務(wù)程序結(jié)束，控制返回應(yīng)用程序（在05行）時，R0包含了鍵入字符的ASCII碼。ADD和BRz指令來測試是否是終止字符7。如果鍵入的字符不是7，大小寫的ASCII碼的差（x0020）將被加到鍵入字符的ASCII碼上，并將結(jié)果保存到R0。然后調(diào)用顯示器輸出服務(wù)程序，這使得同一字母的小寫被顯示到屏幕上。當(dāng)控制返回應(yīng)用程序（這次在09行）時