Последовательность действий при обработке прерываний

Механизм прерываний

Один из важнейших моментов, которые отличают один компьютер от других машин, состоит в том, что компьютеры могут реагировать на непредсказуемое разнообразие выполняемой ими работы. Это достигается с помощью так называемых прерываний.

Отключите систему прерываний – и «жизнь» в операционной системе немедленно остановится. Периодические прерывания от таймера вызывают смену процессов в мультипрограммной операционной системе, а прерывания от устройств ввода-вывода управляют потоками данных, которыми вычислительная система обменивается с внешним миром.

Система прерываний переводит процессор на выполнение потока команд, отличного от того, который выполняется до сих пор, с последующим возвратом к исходному коду.

Переключение по прерыванию отличается от переключения, которое происходит по команде безусловного или условного перехода, предусмотренной программистом в потоке команд приложения. Переход по команде происходит в заранее определенных программистом точках программы в зависимости от исходных данных, обрабатываемых программой. Прерывание же происходит в произвольной точке потока команд программы, которую программист не может прогнозировать. Прерывание возникает либо в зависимости от внешних по отношению к процессу выполнения программы событий, либо при появлении непредвиденных аварийных ситуаций в процессе выполнения данной программы. Сходство прерываний с процедурами состоит в том, что в обоих случаях выполняется некоторая подпрограмма, обрабатывающая специальную ситуацию, а затем продолжается выполнение основной ветви программы.

Без прерываний было бы очень трудно обеспечить эффективную работу компьютера. С одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, с другой стороны, желательна его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос (например, нажатие клавиши).

Прерывание возникает либо в зависимости от внешних по отношению к процессу событий, либо при появлении непредвиденных аварийных ситуаций в процессе выполнения данной программы.

Если бы компьютер мог выполнять только то, что ему сообщено заранее, он не смог бы реагировать на события, не производя постоянного контроля состояния вычислительной системы и устройств. Однако прерывания позволяют процессу реагировать на события даже тогда, когда он занят другой работой.

Идея прерывания оказалась настолько полезной, что сейчас прерывания применяются в компьютере для множества целей.

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие в работе процессора, то есть прерывание – это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через неё — к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определённого события.

Итак, главные функции механизма прерываний – это:

q распознавание или классификация прерываний;

q передача управления соответствующему обработчику прерываний;

q корректное возвращение к прерванной программе.

Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выполняться как можно быстрей. Одним из самых простых и быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе перед передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке (system stack).

Алгоритм обработки прерываний

Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной системы подразумевает выполнение некоторой последовательности шагов.

1. Установление факта прерывания (приём сигнала запроса на прерывание) и идентификация прерывания.

2. Запоминание состояния прерванного процесса вычислений. Состояние процесса выполнения программы определяется, прежде всего, значением счетчика команд (адресом следующей команды), содержимым регистров процессора, и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую информацию.

3. Управление аппаратно передается на подпрограмму обработки прерывания.

4. Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью аппаратуры. В некоторых процессорах предусматривается запоминание довольно большого объема информации о состоянии прерванных вычислений.

5. Собственно выполнение программы, связанное с обработкой прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, на которую было передано управление на шаге 3, но в операционных системах достаточно часто она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.

6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, обратный шагу 4).

7. Возврат на прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, шаги 4-7 – программно.

На Рис. 1 показано, что при возникновении запроса на прерывание естественных ход вычислений нарушается и управление передается на программу обработки возникшего прерывания. При этом средствами аппаратуры сохраняется (как правило, с помощью механизмов стековой памяти) адрес той команды, с которой следует продолжить выполнение прерванной программы. После выполнения программы обработки прерывания управление возвращается на прерванную ранее программу посредством занесения в указатель команд сохраненного адреса команды, которую нужно было бы выполнить, если бы возникло прерывание. Однако такая схема используется только в самых простых программных средах. В мультипрограммных операционных системах обработки прерываний происходит по более сложным схемам, о чем будет изложено ниже.

Рис. 1. Обработка прерывания

Типы прерываний

В зависимости от источника прерывания делятся на три вида:

Внешние прерывания могут возникать от аппаратных устройств (вне прерываемого процесса), они сообщают о чем-то, требующим внимания процессора. Так же они могут возникать в результате действий пользователя за клавиатурой.

Так же эти прерывания называют аппаратными, так как возникают после подачи устройством электрического сигнала, который подается на специальный вход прерывания процессора.

q прерывания от таймера;

q прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу-выводу);

q прерывания по нарушению питания;

q прерывания с пульта оператора вычислительной системы;

q прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Могут быть вызваны при обнаружении ошибки при выполнении программы. Это похоже на то, как если бы вы при чтении какого-либо предложения встретили «РБНСС ЗМЙ ЮДЙХМ ЯСМ ЖЯК», т.е. полнейшую бессмыслицу. Аналогичная ситуация может возникнуть и в компьютере. Процессор может встретить команды, не имеющие для него никакого смысла, или данные, которые нельзя обработать. Например, нулевой делитель, ошибки защиты памяти, обращение по несуществующему адресу, попытка выполнить привилегированную инструкцию в пользовательском режиме и т.п.

В подробных ситуациях процессор генерирует прерывание, называемое особым случаем или исключением.

Программные прерывания не возникают непредвиденно. Идея прерываний настолько мощная, что с помощью прерывания программы могут запросить обслуживания, выполняемые другими программами. Программные прерывания возникают при выполнении особой команды процессора и представляют собой удобный способ вызова процедур ОС.

Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре, они могут возникать одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания. Так, со всей очевидностью, прерывания от схем контроля процессора должны обладать наивысшим приоритетом (действительно, если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обработку информации).

На рис. 2 изображен обычный порядок (приоритеты) обработки прерываний в зависимости от типа прерываний. Учет приоритета может быть встроен в технические средства, а также определяться операционной системой.

Рис. 2. Распределение прерываний по уровням приоритета

Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний. Программное управление этими средствами (существуют специальные команды для управления работой системы прерываний) позволяет операционной системе регулировать обработку сигналов прерывания, заставляя процессор обрабатывать их сразу по приходу, откладывать обработку на некоторое время, полностью игнорировать прерывания. Обычно операция прерывания выполняется только после завершения выполнения текущей команды. Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке, им (как уже отмечалось) присваиваются приоритеты. Сигнал с более высоким приоритетом обрабатывается в первую очередь, обработка остальных сигналов прерывания откладывается.

Управление ходом выполнения задач со стороны операционной системы заключается в организации реакций на прерывания, в организации обмена информацией (данными и программами), в предоставлении необходимых ресурсов, в динамике выполнения задачи и в организации сервиса. Причины прерываний определяет операционная система (модуль, который называют супервизором прерываний), она же и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации. Супервизор прерываний (первые две секции на рис.1) прежде всего сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерываемого вычислительного процесса. Далее он определяет ту подпрограмму, которая должна выполнить действия, связанные с обслуживанием настоящего (текущего) запроса на прерывание. Перед тем, как передать управление на эту подпрограмму, супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерывания. После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление вновь передается ядру операционной системы. На этот раз уже на тот модуль, который занимается диспетчеризацией задач. И уже диспетчер задач, в свою очередь, восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор. Рассмотренную схему иллюстрирует рис. 3.

Естественно, что это только общий принцип. В конкретных процессорах и в конкретных операционных системах могут существовать некоторые отступления от рассмотренной схемы и/или дополнения. Например, в современных процессорах часто имеются специальные аппаратные возможности для сохранения контекста прерываемого вычислительного процесса непосредственно в его дескрипторе, то есть дескриптор процесса (по крайней мере его часть) становится структурой данных, которую поддерживает аппаратура.

Рис. 3. Обработка прерывания при участии супервизоров ОС

Механизм прерываний

Механизм прерываний поддерживается аппаратными средствами компьютера и программными средствами ОС.

Существуют два основных способа выполнения прерывания:

1. векторный (vectored), когда в процессор передается номер вызываемой процедуры обработки прерывания;

2. опрашиваемый (polled), когда процессор вынужден последовательно опрашивать потенциальные источники запроса прерывания.

Устройствам, которые используют векторные прерывания, назначается вектор прерываний.

Он представляет собой электрический сигнал и несет в себе информацию о закрепленном за данным устройством номере, который идентифицирует соответствующий обработчик прерываний. Процессор использует этот вектор для нахождения обработчика данного прерывания.

Для упорядочивания процессов обработки прерываний все источники прерываний распределяются по нескольким приоритетным уровням. С каждым уровнем прерываний может быть связано несколько устройств и соответственно несколько программ-обработчиков прерываний.

При использовании опрашиваемых прерываний процессор получает от устройства информацию от уровня приоритета прерывания. Процессор должен определить, какое устройство из тех, которые связаны с данным уровнем прерываний, действительно запросило прерывание. Для этого вызываются все обработчики прерываний, для данного уровня приоритета, пока один из уровня обработчика не подтвердит, что прерывание пришло от устройства, обслуживаемого им.

Для некоторых аппаратных платформ могут сочетаться оба типа прерываний.

Вектор прерываний, передаваемый в процессор, представляет собой целое число в диапазоне от 0 до 255, указывающее на одну их 256 программ обработки прерываний, адреса которых хранятся в таблице обработчиков прерываний. В том случае, когда к каждой линии IRQ подключается только одно устройство, процедура обработки прерываний не выполняет никаких дополнительных опросов для выяснения того, какое именно устройство запросило прерывание. Однако при совместном использовании одного уровня IRQ несколькими устройствами программа обработки прерываний должна дополнительно выполнить опрос всех этих устройств.

Обобщенно последовательность действий аппаратных и программных средств по обработке прерывания можно описать следующим образом.

1. При возникновении сигнала (для аппаратных прерываний) или условия (для внутренних прерываний) прерывание происходит первичное аппаратное распознавание типа прерывания. Если прерывания данного типа в настоящий момент запрещены (приоритетной схемой или механизмом маскирования), то процессор продолжает поддерживать естественный ход выполнения команд. Иначе происходит автоматический вызов процедуры обработки прерывания, адрес которой находится в специальной таблице ОС, размещаемой либо в регистрах процессора, либо в определенном месте ОП.

2. Автоматически сохраняется некоторая часть контекста прерванного потока, которая позволяет ядру возобновить исполнение потока процессора после обработки прерывания (это – значение счетчика команд, слова состояния машины, хранящего признаки основных регистров работы процессора, а так же нескольких регистров общего назначения, которые требуются программе обработки прерывания). Может быть сохранен и полный контекст процессора, если ОС обслуживает данное прерывание со сменой процессора.

3. Временно запрещаются прерывания данного типа, чтобы не образовалась очередь вложенных друг в друга потоков одной и той же процедуры.

4. После того как прерывание обработанного ядром операционной системы, прерванный контекст восстанавливается аппаратно по команде возврата из прерываний (например, адрес следующей команды и слово состояния машины), а часть – программным способом, с помощью явных команд извлечения данных из списка. При возврате из прерывания блокировка повторных прерываний данного типа снимается.

Последовательность действий при обработке прерываний

1. возникновение прерывания

2. обращение к таблице векторов прерываний (извлечение адреса обработчика соответствующего прерывания)

3. обработка прерывания

4.возвращение из прерывания (возврат к процессу, который обрабатывался до возникновения прерывания)

Вектор прерывания

номер (число), закрепленный за устройством, которое определяет соответствующий обработчик прерываний (256 векторов прерываний)

Приоритет прерываний

все источники прерывания делятся на классы. Каждому классу назначается свой уровень приоритета:

· относительное обслуживаниепри возникновении прерывания с более высоким приоритетом, оно выполняется только после выполнения текущего

· абсолютное обслуживание при возникновении более приоритетного прерывания текущее прерывание вытесняется из обработки процесса. После завершения процедуры процессор возвращается к вытесненному прерыванию.

9. Понятия: задание, процесс, поток. Планирование и диспетчеризация потоков.

Программа – статический объект на носителе информации, содержащий инструкции и команда для ЭВМ.

Процесс – динамический объект, возникающий в системе при запуске программы (пользователем, другим процессом, системой).

Составная часть процесса – поток.(наименьшая единица обработки, назначенная ОС)

Задача – процесс, состоящий из одного потока.

Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется при помощи планирования и диспечерезации.

Планирование – работа по определению момент времени, в который необходимо начать выполнение определенного потока. Планирование осуществляется на основе информации, хранящейся в описателях процессов и потоков.

Планирование потоков

1)Определение момента времени для смены текущего активного потока.

2)Выбор потока для выполнения из очереди готовых потоков.

Виды планирования потоков:

а) Динамический	Решения принимаются во время работы системы, на основе анализа текущей ситуации. Требует значительного количества ресурсов(on-line)
б)Статический	Используется в специализированных системах.(например в системах реального времени) решения планирования принимаются до начала работы системы (off-line)

Диспетчеризация – заключается в реализации найденного в результате планирования (динамич. или статич.) решения, т.е. в переключение процессора с одного потока на другой.

Перед переключением на выполнение нового потока ОС запоминает контекст текущего.

Контекст— информация о состояние ПК в момент прерывания потока:

· Значение счетчика команд

· Режим работы процессора

· Регистры общего назначения

· Ссылки на открытые файлы

· Данные об операциях ввода-вывода

Действия при диспетчеризации:

1)Сохранение контекста текущего потока(который требуется сменить)

2)загрузка контекста нового потока

3)запуск нового потока на выполнение

Состояния существования процесса. Графы состояний потоков.

1)Выполнение	Активное состояние потока, во время которого поток обладает всеми необходимыми ресурсами, и непосредственно выполняется процессором
2)Готовность	Пассивное состояние, в котором поток заблокирован внешними причинами (поток обладает всеми ресурсами, но не имеет доступа к процессору)
3)Ожидание	Пассивное состояние потока, при котором он заблокирован внутренними обстоятельствами (не обрабатывается процессором и не имеет ресурсов)

Типичный граф состояния потока

Алгоритмы планирования потоков:

1) Не вытесняющие –активный поток выполняется, пока сам не передаст управление ОС (для загрузки следующего потока)

2) Вытесняющая –решение о переключение с потока на поток принимает ОС.а не активной задачей.

Последнее изменение этой страницы: 2017-02-06; Нарушение авторского права страницы

ТЕМА 2.2: ОБРАБОТКА ПРЕРЫВАНИЙ

В архитектуре ПЭВМ базовая система ввода/вывода (БСВВ) занимает особое место. Ее можно рассматривать, с одной стороны, как составляющую часть аппаратных средств, с другой стороны, это система является одним из программных модулей ОС.

Одной из важных функция БСВВ – обслуживание системных вызовов, или прерываний. Системные вызовы вырабатываются программными или аппаратными средствами с целью выполнения различных операций. Для реализации системных вызовов используется механизм прерываний. Суть этого механизма заключается в том, что текущая работа машины, в чем бы она ни состояла, может быть приостановлена на короткое время одним из сигналов, который указывает на возникновение ситуации, требующей немедленной обработки

Прерывание — это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой — обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы.

Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами.

При прерывании ОС сохраняет состояние процессора –значения регистров и значение счетчика команд (program counter – PC)– адреса прерванной команды.Обработчик прерывания в ОС определяет по содержимому сегмента объектного кода, какого вида прерывание возникло и какие действия по его обработке следует предпринять. Среди возможных видов прерываний, кроме фиксации различных ошибок, имеются также прерывания по таймеру– периодические прерывания через определенный квант времени, предназначенные для опроса устройств (polling)– действий операционной системы по периодической проверке состояния всех портов и внешних устройств, которое может меняться с течением времени: например, к USB-порту была подключена флэшка; принтер закончил печать и освободился, и т.д. ОС выполняет реконфигурацию системы и корректирует системные таблицы, хранящие информацию об устройства

Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.

Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора. Механизмы обработки прерываний обоих типов схожи. Рассмотрим функционирование компьютера при появлении сигнала запроса прерывания, опираясь в основном на обработку аппаратных прерываний (рис. 13).

Рис. 13. Выполнение прерывания в компьютере:

tр — время реакции процессора на запрос прерывания;

tс — время сохранения состояния прерываемой программы и вызова обработчика прерывания;

tв — время восстановления прерванной программы.

После появления сигнала запроса прерывания ЭВМ переходит к выполнению программы — обработчика прерывания. Обработчик выполняет те действия, которые необходимы в связи с возникшей особой ситуацией. Например, такой ситуацией может быть нажатие клавиши на клавиатуре компьютера. Тогда обработчик должен передать код нажатой клавиши из контроллера клавиатуры в процессор и, возможно, проанализировать этот код. По окончании работы обработчика управление передается прерванной программе.

Время реакции — это время между появлением сигнала запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы (обработчика прерывания) в том случае, если данное прерывание разрешено к обслуживанию.

Время реакции зависит от момента, когда процессор определяет факт наличия запроса прерывания. Опрос запросов прерываний может проводиться либо по окончании выполнения очередного этапа команды (например, считывание команды, считывание первого операнда и т.д.), либо после завершения каждой команды программы.

Прерывания можно разделить на три группы: аппаратные, логические и программные.

Источники аппаратных прерываний – падение напряжения питания, нажатие клавиши на клавиатуре, приход очередного импульса от счетчика времени, возникновение специальных сигналов от накопителей на гибких или жестких дисках и др.

Логические, или процессорные, прерывания возникают при различных нестандартных ситуациях в работе основного микропроцессора – делении на нуль, переполнении регистров, появлении «точки останова» и др.

Программные прерывания – самая обширная категория. Вырабатываются они, когда одна программа хочет получить определенный сервис со стороны другой программы, причем этот сервис обычно связан с работой аппаратных средств.

Каждое прерывание имеет уникальный номер и с ним может быть связана определенная подпрограмма, призванная обслуживать возникшую ситуацию. Сама обслуживающая подпрограмма, вообще говоря, тоже может быть приостановлена другим прерыванием; но чаще всего на период работы подпрограммы, обслуживающей некоторое прерывание, другие прерывания «маскируются», т. е. не обслуживаются немедленно, а становятся в очередь.

В аппаратных компонентах машины в самой ДОС и в прикладных программах могут вырабатываться прерывания, которые нужно обслуживать. На БСВВ возлагается задача обслуживания прерываний нижнего уровня – тех, которые требуют непосредственного управления аппаратными компонентами. Этим прерываниям присвоены номера с 0 по 31 (шестнадцатеричные номера 0 – 1F). Другие прерывания – с номерами 32 – 63 (шестнадцатеричные номера 20 – 3F) – относятся к более высокому уровню, и их обслуживание возлагается на другие модули ОС.

В табл. 3 приведен общий перечень прерываний, обслуживаемых БСВВ. В реальных программах на языке ассемблера и в технической литературе по ОС прерывания идентифицируются шестнадцатеричиыми кодами. Из анализа табл. 3 видно, что обслуживаемые БСВВ прерывания соответствуют базовым операциям по управлению внешними устройствами – дисплеем, клавиатурой, НГМД, принтером, коммуникационными каналами. При этом подпрограммы, входящие в БСВВ, выполняют операции нижнего уровня. Так, например, обслуживание НГМД включает возможность начальной установки магнитных головок, проверки текущего статуса устройства, прямого чтения и записи заданных секторов диска, верификации прочитанных или записанных данных и, наконец, форматирования (начальной разметки) дисков.

Таблица 3. Прерывания, обслуживаемые БСВВ

Деся- тичный номер	Шестнадца- теричный номер	Обслуживаемая ситуация или выполняемая функция
Деление на ноль
Перевод микропроцессора в пошаговый режим
Падение напряжения питания
Появление точки останова в последовательности команд
Переполнение регистров арифметического устройства
Печать графической копии экрана
Зарезервировано
Зарезервировано
Сигнал от счетчика времени – таймера
Сигнал от нажатия клавиши на клавиатуре
А	Зарезервировано
Деся- тичный номер	Шестнадца- теричный номер	Обслуживаемая ситуация или выполняемая функция
В	Зарезервировано
С	Зарезервировано
D	Зарезервировано
Е	Сигнал об окончании обмена с НМД
F	Зарезервировано для обслуживания принтера
Управление дисплеем
Запрос списка подсоединенного оборудования
Запрос размера физической памяти
Управление НМД
Управление коммуникационным адаптером
Управление магнитофоном и другими устройствами
Управление клавиатурой
Управление принтером
Обращение к встроенному в ПЗУ бейсику
Перезапуск системы
1А	Запрос/установка текущего времени и даты
1В
1С
1D	Адрес таблицы параметров инициализации дисплея.
1E	Адрес таблицы параметров НГМД
1F	Адрес таблицы символов с кодами 128-255

Некоторые из указанных в табл. 3 прерываний обеспечивают доступ к нескольким взаимосвязанным функциям. Каждая функция идентифицируется своим шестнадцатеричным номером (кодом) и обеспечивает выполнение некоторой частной операции.

Так, например, прерывание 19 (управление НГМД и НМД) открывает доступ к 18 функциям с кодами 0-17):

0 — начальная установка (сброс диска),

1 — выдача текущего статуса диска,

2 — чтение группы (блока) секторов с одной дорожки,

3 — запись группы секторов на одну дорожку,

4 — верификация после чтения или записи,

5 — форматирование дорожки (запись меток секторов),

8 — выдача текущих параметров накопителя,

9 — инициализация таблицы параметров фиксированного диска,

А — «длинное» чтение,

В — «длинная» запись,

С — поиск нужной дорожки,

D — начальная установка диска,

10 — проверка готовности диска,

11 — калибровка диска,

14 — диагностика контроллера,

15 — выдача типа накопителя,

16 — изменение статуса диска,

17 — установка типа накопителя.

Глубина прерывания — максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов, распознаваемых системой прерываний. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний (n) представлена на рис. 10. Здесь предполагается, что с увеличением номера запроса прерывания увеличивается его приоритет.

Рис. 14. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний

При поступлении запроса прерывания компьютер выполняет следующую последовательность действий:

1) определение наиболее приоритетного незамаскированного запроса на прерывание (если одновременно поступило несколько запросов);

2) определение типа выбранного запроса;

3)сохранение текущего состояния счетчика команд и регистра флагов;

4) определение адреса обработчика прерывания по типу прерывания и передача управления первой команде этого обработчика;

5) выполнение программы — обработчика прерывания;

6)восстановление сохраненных значений счетчика команд и регистра флагов прерванной программы;

7) продолжение выполнения прерванной программы.

Этапы 1-4 выполняются аппаратными средствами ЭВМ автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 6 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания.

Переход к соответствующему обработчику прерывания осуществляется (в реальном режиме работы микропроцессора) посредством таблицы векторов прерываний. Эта таблица располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит значения сегментного регистра команд (CS) и указателя команд (IP) для 256 обработчиков прерываний.

Вектор прерывания – ячейка памяти, содержащая адрес обработчика прерывания.

Вектора прерываний объединяются в таблицу векторов прерываний. Местоположение таблицы зависит от типа и режима работы микропроцессора.

Главные функции механизма прерывания:

1.Распознавание или классификация прерывания.

2. Передача управления обработчику прерывания.

3. Корректное возвращение к прерванной программе

Переход от прерванной программе к обработчику и обратно должен производится как можно быстрее. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе, перед передачей управления обработчику, содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке.

Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке им присваиваются приоритеты. Программы, управляя специальными регистрами маски, позволяют реализовать различные дисциплины обслуживания:

Вложенные прерывания.

При вложенных прерываниях, процедура обработки текущего прерывания может быть прервана (отложена) при поступлении запроса на прерывание, имеющего более высокий уровень приоритета. После обработки прерывания с более высоким уровнем приоритета процессор возвращается к прерванной процедуре и продолжает обработку данного прерывания до ее окончания или до нового прерывания. Очевидно, что процедура обработки прерывания с более высоким уровнем может быть в свою очередь прервана прерыванием с еще более высоким уровнем приоритета и т.д. При этом прерывания, имеющие более низкий уровень приоритета по сравнению с текущим, обычно запрещаются (маскируются).

Прерывания и особые случаи

Прерывание — это изменение естественного порядка выполнения программы, которое связано с необходимостью реакции системы на работу внешних устройств, а также на ошибки и особые ситуации, возникшие при выполнении программы. При этом вызывается специальная программа — обработчик прерываний, специфическая для каждой возникшей ситуации, после выполнения которой возобновляется работа прерванной программы.

Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.

Классификация прерываний представлена на рис. 7.1.

Запросы аппаратных прерываний возникают асинхронно по отношению к работе микропроцессора и связаны с работой внешних устройств.

Запрос от немаскируемых прерываний поступает на вход NMI микропроцессора и не может быть программно заблокирован. Обычно этот вход используется для запросов прерываний от схем контроля питания или неустранимых ошибок ввода/вывода.

Для запросов маскируемых прерываний используется вход INT микропроцессора. Обработка запроса прерывания по данному входу может быть заблокирована сбросом бита IF в регистре флагов микропроцессора.

Программные прерывания, строго говоря, называются исключениями или особыми случаями. Они связаны с особыми ситуациями, возникающими при выполнении программы (отсутствие страницы в оперативной памяти, нарушение защиты, переполнение ), то есть с теми ситуациями, которые программист предвидеть не может, либо с наличием в программе специальной команды INT n, которая используется программистом для вызова функций операционной системы либо BIOS , поддерживающих работу с внешними устройствами. В дальнейшем при обсуждении работы системы прерываний мы будем употреблять единый термин » прерывание » для аппаратных прерываний и исключений, если это не оговорено особо.

Программные прерывания делятся на следующие типы.

Нарушение (отказ) — особый случай, который микропроцессор может обнаружить до возникновения фактической ошибки (например, отсутствие страницы в оперативной памяти); после обработки нарушения программа выполняется с рестарта команды, приведшей к нарушению.

Ловушка — особый случай, который обнаруживается после окончания выполнения команды (например, наличие в программе команды INT n или установленный флаг TF в регистре флагов ). После обработки этого прерывания выполнение программы продолжается со следующей команды.

Авария ( выход из процесса) — столь серьезная ошибка, что некоторый контекст программы теряется и ее продолжение невозможно. Причину аварии установить нельзя, поэтому программа снимается с обработки. К авариям относятся аппаратные ошибки, а также несовместимые или недопустимые значения в системных таблицах.

Порядок обработки прерываний

Прерывания и особые случаи распознаются на границах команд, и программист может не заботиться о состоянии внутренних рабочих регистров и устройств конвейера.

Реагируя на запросы прерываний, микропроцессор должен идентифицировать его источник, сохранить минимальный контекст текущей программы и переключиться на специальную программу — обработчик прерывания. После обслуживания прерывания МП возвращается к прерванной программе, и она должна возобновиться так, как будто прерывания не было.

Обработка запросов прерываний состоит из:

«рефлекторных» действий процессора, которые одинаковы для всех прерываний и особых случаев и которыми программист управлять не может;
выполнения созданного программистом обработчика.

Для того чтобы микропроцессор мог идентифицировать источник прерывания и найти обработчик, соответствующий полученному запросу, каждому запросу прерывания присвоен свой номер ( тип прерывания ).

Тип прерывания для программных прерываний вводится изнутри микропроцессора; например, прерывание по отсутствию страницы в памяти имеет тип 14. Для прерываний, вызываемых командой INT n, тип содержится в самой команде. Для маскируемых аппаратных прерываний тип вводится из контроллера приоритетных прерываний по шине данных . Немаскируемому прерыванию назначен тип 2.

Всего микропроцессор различает 256 типов прерываний. Таким образом, все они могут быть закодированы в 1 байте.

«Рефлекторные» действия микропроцессора по обработке запроса прерывания выполняются аппаратными средствами МП и включают в себя:

определение типа прерывания ;
сохранение контекста прерываемой программы (некоторой информации, которая позволит вернуться к прерванной программе и продолжить ее выполнение). Всегда автоматически сохраняются как минимум регистры EIP и CS , определяющие точку возврата в прерванную программу, и регистр флагов EFLAGS . Если вызов обработчика прерывания проводится с использованием шлюза задачи, то в памяти полностью сохраняется сегмент состояния TSS прерываемой задачи;
определение адреса обработчика прерывания и передача управления первой команде этого обработчика.

После этого выполняется программа — обработчик прерывания, соответствующая поступившему запросу. Эта программа пишется и размещается в памяти прикладным или системным программистом. Обработчик прерывания должен завершаться командой I RET , по которой автоматически происходит переход к продолжению выполнения прерванной программы с восстановлением ее контекста.

Для вызова обработчика прерывания микропроцессор при работе в реальном режиме использует таблицу векторов прерываний, а в защищенном режиме — таблицу дескрипторов прерываний.

Таблица векторов прерываний (рис. 7.2) располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит 4байтные элементы ( векторы прерываний ) для 256 обработчиков прерываний. Старшие 2 байта вектора загружаются в сегментный регистр команд CS , а младшие 2 байта — в регистр указателя команд IP . Обращение к элементам таблицы осуществляется по 8-разрядному коду — типу прерывания. Так как таблица всегда имеет нулевой начальный адрес и длину вектора в 4 байта, чтобы определить адрес вектора для прерывания типа i, достаточно просто умножить это значение на 4.

В защищенном режиме для вызова обработчика прерывания используется таблица дескрипторов прерываний IDT . Элементами таблицы являются 8-байтные дескрипторы типа шлюз -пециальные программные структуры, через которые происходит передача управления обработчику.

Обращение к IDT аналогично обращению к глобальной таблице дескрипторов, где вместо системного регистра GDT R используется регистр IDTR , который определяет размер и базовый адрес таблицы в памяти.

Физический адрес дескриптора шлюза, находящегося в IDT , определяется как сумма базового адреса таблицы и умноженного на 8 типа прерывания (рис. 7.3).

Содержимое регистра IDTr не сохраняется в сегментах TSS и не изменяется при переключении задачи. Программы не могут обратиться к IDT , так как единственный бит TI индикатора таблицы в селекторе сегмента обеспечивает выбор только между таблицами GDT и LDT .

Максимальный предел таблицы дескрипторов прерываний составляет 256*8 — 1 = 2047.

Можно определить предел меньшим, но это не рекомендуется. Если происходит обращение к дескриптору вне пределов IDT , процессор переходит в режим отключения до получения сигнала по входу NMI или сброса.

В IDT могут храниться только дескрипторы следующих типов:

шлюз ловушки ,
шлюз прерывания, шлюз задачи.

Шлюзы ловушки и прерывания сходны со шлюзом вызова, только в них отсутствует поле счетчика WC (рис. 7.4). Так как прерывание является неожиданным событием и не связано с текущей программой, говорить о передаче параметров их обработчику не приходится.

Бит S = 0 в байте доступа определяет этот дескриптор как системный объект . Если поле ТИП в байте доступа равно 1110, то это шлюз прерывания, если 1111 — то шлюз ловушки.

Поле уровня привилегий дескриптора DPL , как правило, устанавливается равным 3 с тем, чтобы к обработчику прерываний могли обращаться программы с любого уровня привилегий.

Бит присутствия P может быть равен как 0, так и 1.

При входе в обработчик через шлюз прерывания в регистре флагов сбрасывается бит разрешения прерываний IF . В этом случае микропроцессор блокирует все маскируемые аппаратные прерывания. Поэтому в обработчике прерываний этот бит должен быть установлен в 1 как можно раньше с тем, чтобы не блокировать работу программ, которые вызываются, например, при обработке прерываний от системного таймера .

При входе в обработчик через шлюз ловушки флаг IF не меняется.

Вызов обработчика через шлюз ловушки , а не шлюз прерывания, чаще реализуют при обработке исключений , так как на период обслуживания прерывания нежелательно выключать механизм разделения времени, использующий прерывания таймера.

Вызов обработчика через шлюз задачи обычно осуществляется при обработке аппаратных прерываний, так как такая обработка не связана с текущей выполняемой задачей. При этом возможен механизм вложенных прерываний, если прерывания в задаче разрешены. Вызов обработчика прерывания через шлюз задачи осуществляется и при обработке исключений , например, «неразрешенный TSS «, когда поврежденная задача не может вызвать процедуру прерывания. Переключение задач требует примерно в 5 раз больше времени, чем вызов процедуры. Поэтому, если приоритет запроса высок, а программа обслуживания короткая, ее оформляют в виде процедуры.

Последовательность действий при обработке прерываний

Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i 80 x 86.

Работа системы прерываний в реальном режиме

1. Понятие прерывания

2. Классификация прерываний

3. Система прерываний.

· Программные средства системы прерываний

· Таблица векторов прерываний

4. Обработка прерывания в реальном режиме

Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы.

Т.е. это процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возвратом к прерванной программе.

Нажимая клавишу на клавиатуре, мы инициируем немедленный вызов программы, которая распознает клавишу, заносит ее код в буфер клавиатуры, из которого он считывается другой программой. Т.е. на некоторое время микропроцессор прерывает выполнение текущей программы и переключается на программу обработки прерывания, так наз. обработчик прерывания. После того, как обработчик прерывания завершит свою работу, прерванная программа продолжит выполнение с точки, где было приостановлено ее выполнение.

Адрес программы-обработчика прерывания вычисляется по таблице векторов прерываний.

Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне.

В зависимости от источника, прерывания делятся на

· аппаратные — возникают как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства (клавиатура, системные часы, клавиатура, жесткий диск и т.д.), по времени возникновения эти прерывания асинхронны, т.е. происходят в случайные моменты времени;

· программные — вызываются искусственно с помощью соответствующей команды из программы ( int ), предназначены для выполнения некоторых действий операционной системы, являются синхронными;

· исключения — являются реакцией микропроцессора на нестандартную ситуацию, возникшую внутри микропроцессора во время выполнения некоторой команды программы (деление на ноль, прерывание по флагу TF ( трассировка)).

Общая классификация прерываний

· внешние — вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями

(по существу — это группа аппаратных прерываний) Вложенных прерываний нет!

· внутренние — возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса (по существу — это исключительные ситуации и программные прерывания).

Внешние прерывания возникают по сигналу какого-нибудь внешнего устройства.

Внешние прерывания подразделяются на немаскируемые и маскируемые.

В связи с тем, что существуют два специальных внешних сигнала среди входных сигналов процессора, при помощи которых можно прервать выполнение текущей программы и тем самым переключить работу центрального процессора. Это сигналы NMI (no mask interrupt , немаскируемое прерывание) и INTR (interrupt request , запрос на прерывание).

Маскируемые прерывания генерируются контроллером прерываний по заявке определенных периферийных устройств. Контроллер прерываний (выполнен в виде специальной микросхемы i8259A) поддерживает восемь уровней (линий) приоритета; к каждому уровню “привязано” одно периферийное устройство. Именно маскируемые прерывания часто называют аппаратными прерываниями.

В ПК, начиная с IBM PC AT, построенных на базе микропроцессора i80286, используются два контроллера прерываний i8259A; они соединяются последовательно каскадным образом, что увеличивает количество внешних источников прерываний до 15 (каждая по 8).

Обратим внимание . Микросхема i 8259А является программируемой.

Немаскируемые прерывания (говорят, что оно одно, т.к. подается на вывод микропроцессора NMI ) инициируют источники, требующие безотлагательного вмешательства со стороны микропроцессора.

В реальном и защищенном режиме работы микропроцессора обработка прерываний осуществляется принципиально разными методами.

Система прерываний. Аппаратные и программные средства системы прерываний

Система прерываний — это совокупность программных и аппаратных средств, реализующих механизм прерываний.

К аппаратным средствам системы прерываний относятся:

· выводы микропроцессора — на них формируются сигналы, извещающие микропроцессор либо о том, что некоторое внешнее устройство «просит уделить ему внимание» ( INTR) , либо о том, что требуется безотлагательная обработка некоторого события или катастрофическая ошибка (NMI)

· INTR — вывод для входного сигнала запроса на прерывание ,

· NMI — вывод для входного сигнала немаскируемого прерывания

· INTA — вывод для выходного сигнала подтверждения получения сигнала прерывания микропроцессором (этот сигнал поступает на одноименный вход микросхемы конроллера 8259А;

· программируемый контроллер прерываний 8259А (предназначен для фиксирования сигналов прерываний от восьми различных внешних устройств; он выполнен в виде микросхемы; обычно используют две последовательно соединенные микросхемы, поэтому кол-во возможных источников внешних прерываний до 15 плюс одно немаскируемое прер.; именно он формирует номер вектора прерывания и выдает его шину данных);

· внешние устройства (таймер, клавиатура, магнитные диски и т.п.)

К программным средствам системы прерываний Реального режима относятся:

· таблица векторов прерываний .

Занимает первый килобайт ОП (адреса 00000 h-003FFh) .

Она содержит адреса (векторы — «векторы», т.к. два значения для указания адреса) обработчиков прерываний и состоит из 256 (0..255) элементов по 4 байта каждый:

— 2 байта — новое значение для регистра IP

— 2 байта — новое значение для регистра CS .

Расположение таблицы векторов прерываний в процессорах i80286 и старше определяется значением регистра IDTR .

Таблица векторов прерываний инициализируется при запуске системы, но в принципе может быть изменена и перемещена.

Каждый вектор имеет свой номер и называется номером прерывания.

· два флага в регистре флагов flags/eflags :

· IF (Interrupt Flag) — флаг прерывания. Предназначен для маскирования (запрещения) аппаратных прерываний. Если IF=1 , микропроцессор обрабатывает внешние прерывания, если = 0, то игнорирует;

· TF(Trace Flag) — флаг трассировки. Если он=1, то микропроцессор переходит в режим покомандной работы. В этом режиме в микропроцессоре генерируется внутреннее прерывание с номером 1;

· машинные команды микропроцессора: int, into (прерывание по переполнению) , iret, cli, sti

Обработка прерывания в реальном режиме

производится в три этапа:

1) прекращение выполнения текущей программы;

Должно произойти так, чтобы потом вернуться и продолжить работу. Для этого необходимо сохранить содержимое регистров, так как они являются ресурсами, разделяемыми между программами.

Обязательными для сохранения являются регистры cs, ip, flags (пара CS:IP содержит адрес команды, с которой необходимо начать выполнение после возврата, flags — состояние флагов после выполнения последней команды прерванной программы).

. Эти регистры сохраняются микропроцессором автоматически. Сохранение остальных регистров — должно обеспечиваться программистом .

Наиболее удобным местом хранения регистров является стек.

После сохранения регистров в стеке микропроцессор сбрасывает бит флага IF (т.е.=0) (. В стеке при этом записан регистр flags с еще установленным IF . ) Этим предотвращается возможность возникновения вложенных внешних прерываний и порча регистров исходной программы вследствие неконтролируемых действий со стороны программы — обработчика вложенного прерывания. После того как необходимые действия по сохранению контекста завершены, обработчик аппаратного прерывания может разрешить вложенные прерывания командой sti .

2) переход к выполнению и выполнение программы обработки прерывания;

Здесь определяется источник прерывания и вызывается соответствующий обработчик прерывания.

В реальном режиме микропроцессора допускается 256 источников — по кол-ву элементов таблицы векторов прерываний.

· 2 байта — значение смещения начала программы-обработчика прерывания от начала кодового сегмента

· 2 байта — значение базового адреса сегмента, в котором находится программа-обработчик.

Как определить адрес, по которому находится вектор прерывания с номером N ?

смещение эл-та таблицы векторов прерываний = N * 4

Полный размер таблицы ? 4*256=1024

Итак на втором этапе микропроцессор

1. По номеру источника прерывания определяет смещение в таблице векторов прерываний

2. Помещает первые два байта в регистр IP

3. Помещает вторые два байта в регистр CS

4. Передыет управление по адресу CS:IP

Далее выполняется сама программа обработки прерывания.

(Она тоже может быть прервана поступлением запроса от более приоритетного источника. Все источники прерывания имеют приоритеты.)

3) возврат управления прерванной программе.

Необходимо привести стек в состояние, в котором он был сразу после передачи управления данной процедуре. Для этого программист должен указать необходимые действия по восстановлению регистров и очистке стека. !! Этот участок необходимо защитить от возможного искажения содержимого регистров (в результате появления аппаратного прерывания) с помощью команды cli .

Последние команды в в обработчике прерывания — sti, iret

sti — разрешить аппаратные прерывания (устанавливает флаг IF=1 , не имеет операндов) .

iret — извлечь последовательно три слова из стека и поместить их соответственно в регистры ip, cs, flags.