Типы прерываний используемых в персональных компьютерах

В чем разница между аппаратным и программным прерыванием

Прерывание — это событие, которое происходит компонентом устройства, отличным от ЦП. Это указывает процессору, что он должен предпринять немедленные действия. Сетевые устройства, таймеры и т. Д. Могут вызывать прерывания. Однако большинство современных компьютеров могут обрабатывать прерывания быстрее. Кроме того, существует два основных типа прерываний: аппаратное и программное прерывание. Мы будем обсуждать здесь эти два типа прерываний и тем самым различать разница между аппаратным и программным прерыванием.

Ключевые области покрыты

1. Что такое аппаратное прерывание
— определение, функциональность
2. Что такое программное прерывание
— определение, функциональность
3. В чем разница между аппаратным и программным прерыванием
— Сравнение основных различий

Основные условия

Прерывание, Аппаратное прерывание, Ядро, Маскируемое прерывание, Немаскируемое прерывание, Программное прерывание

PCI и PCI-X

Устройства PCI имеют возможность сигнализации об асинхронных событиях с помощью прерываний. На шине PCI возможны четыре типа сигнализации прерываний:

традиционная проводная сигнализация по линиям INTx;
проводная сигнализация событий управления энергопотреблением по линии PME#;
сигнализация с помощью сообщений — MSI;
сигнализация фатальной ошибки по линии SERR#.

В данной главе рассматриваются все эти типы сигнализации, а также общая картина поддержки аппаратных прерываний в PC-совместимых компьютерах.

Список литературы

Лекция. Прерывания. Эл. Ресурс. http://hromatron.narod.ru/_lekcii/prerivania_lekcia_g2013.htm
Системные прерывания | Аппаратное прерывание | Обработка прерываний http://life-prog.ru/view_os.php?id=16
Контроллер прерываний. Эл. Ресурс http://sdelaycomputersam.ru/Controller_irq.php,
Прерывания. Контроллер прерываний. Устройство, функции, работа. Эл. Ресурс http://sdelaycomputersam.ru/Controller_irq.php
Структура и инициализация контроллера прерываний Intel 8259A Эл.ресурс https://dev64.wordpress.com/2012/05/30/8259-programming/

Алиева, Е.В. Аппаратные прерывания. Контроллер прерываний / Е.В. Алиева. — Текст : электронный // NovaInfo, 2017. — № 58. — С. 47-55. — URL: https://novainfo.ru/article/10802 (дата обращения: 29.04.2022).

Программные прерывания

Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. По этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных прерываниях, но только это происходит в предсказуемой точке программы – там, где программист поместил данную команду. Поэтому программные прерывания не являются асинхронными (программа «знает», когда она вызывает прерывание).

Программные прерывания в прямом смысле прерываниями не являются, поскольку представляют собой лишь специфический способ вызова процедур — не по адресу, а по номеру в таблице.

Механизм программных прерываний был специально введен для того, чтобы:

переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычные прерывания. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд.
использование программных прерываний приводит к более компактному коду программ по сравнению с использованием стандартных команд выполнения процедур.

Пример (программные прерывания):

привилегированная команда в режиме пользователя.
адрес вне диапазона.
нарушение защиты памяти.
арифметическое переполнение, отсутствует страница.
нарушение защиты сегмента.
выход за границу сегмента.

В упрощенном виде схему обработки различных видов прерываний можно представить следующим образом:

КП – контроллер прерываний, имеет несколько уровней (линий) для подключения контроллеров устройств (на схеме обозначены КУ). Возможно каскадное подключение контролеров, когда на один из его входов подключается еще одни контроллер прерываний. ЦП – центральный процессор.

Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами компьютера, когда возникает необходимость их обслуживания. В отличие от программных прерываний, вызываемых запланировано самой прикладной программой, аппаратные прерывания всегда происходят асинхронно по отношению к выполняющимся программам. Кроме того, может возникнуть одновременно несколько прерываний. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания.

Каждому прерыванию назначается свой уникальный приоритет. Если происходит одновременно несколько прерываний, то система отдает предпочтение самому высокоприоритетному, откладывая на время обработку остальных прерываний.

В случае о прерывании самой программы обработки прерывания говорят о вложенном прерывании. Уровни приоритетов обозначаются сокращенно IRQ0 — IRQ15 или IRQ0 – IRQ23 (в зависимости от микросхемой реализации).

Пpepывaнию вpeмeни cутoк дан мaкcимaльный пpиopитeт, пocкoльку ecли oнo будет пocтoяннo тepятьcя, то будут нeвepными пoкaзaния cиcтeмныx чacoв. Пpepывaниe от клaвиaтуpы вызывaeтcя при нaжaтии или oтпуcкaнии клавиши; oнo вызывaeт цепь coбытий, кoтopaя oбычнo зaкaнчивaeтcя тем, что код клавиши пoмeщaeтcя в буфep клaвиaтуpы (oткудa он зaтeм мoжeт быть пoлучeн пpoгpaммными пpepывaниями).

Ну и наконец реализация механизма обработки прерываний

В машине для каждого класса прерываний имеется соответствующая ему рабочая область прерываний. Например, имеется область, соответствующая прерыванию по таймеру. Когда происходит прерывание по таймеру, содержимое всех регистров сохраняется в этой области (например, пропустив первые несколько слов). Затем из этих пропущенных слов извлекаются заранее занесенные туда значения, которые перезаписываются в счетчик (указатель) команд машины и в слово состояния (или во флаговый регистр). Загрузка и сохранение регистров осуществляется аппаратными средствами машины автоматически.

Загрузка счетчика команд новым значением адреса автоматически вызывает передачу управления на соответствующую команду. Этот адрес, заранее сохраненный в рабочей области прерывания, представляет собой начальный адрес стандартной программы обработки прерываний по таймеру. Загрузка слова состояния также вызывает определенные изменения в состоянии процессора.

После выполнения в ответ на запрос на прерывание любого требуемого действия стандартная программа обработки прерываний выполняет команду загрузки состояния процессора, в результате чего управление передается прерванной программе. Происходит это следующим образом: команда загрузки состояния процессора вызывает загрузку сохраненного содержимого слова состояния, счетчика команд и других регистров из соответствующих слов области сохранения, начиная с адреса, указанного в команде. Это приводит к восстановлению содержимого регистров и состояния процессора, которые были в момент прерывания. Управление затем передается на команду, перед выполнением которой произошло прерывание.

Сохранение и восстановление состояния процессора и содержимого регистров называют операцией контекстного переключения.

У большинства машин имеется так называемое слово состояния, которое содержит часть информации, используемой при обработке прерываний. Одним из элементов этого слова (например, первый) является признак, определяющий, в каком режиме находится процессор: в пользовательском или супервизора.

Обычные программы находятся в пользовательском режиме (признак равен нулю). Когда происходит прерывание, новое загружаемое содержимое слово состояния имеет признак, равный 1, что автоматически переводит процессор в режим супервизора. В этом режиме становится возможным использование привилегированных команд. Перед тем, как значение слова состояния будет сохранено, в другом его элементе (например, втором) будет установлено значение, указывающее на причину прерывания:

при программном прерывании отражается тип вызвавшего его условия, например деление на нуль.
при прерывании по вводу-выводу заносится номер канала, вызвавший прерывание.

В третьем элементе указывается, выполняет ли процессор команды или простаивает. В четвертом элементе содержится указатель, идентифицирующий текущую выполняемую программу. В пятом элементе содержится маска прерываний, которая используется для контроля за разрешением прерываний (поле MASK).

Это поле используется, чтобы не допустить наступления прерываний определенного типа, пока первое из них не будет обработано. В MASK каждый бит соответствует некоторому классу прерываний. Если какой-то бит установлен в 1, то прерывания соответствующего класса разрешены, если в 0, то запрещены. В последнем случае говорят, что они маскированы (их также называют запрещеннымиили закрытыми). Однако маскированные прерывания не теряются, потому что сигнал, вызвавший прерывание, сохраняется аппаратурой. Временно задержанное таким способом прерывание называется отложенным. Когда (вследствие того, что значение MASK сброшено) прерывания соответствующего класса вновь разрешаются, сигнал опознается и происходит прерывание.

Маскирование прерываний находится под контролем операционной системы и зависит от значения MASK в слове состояния, которое заранее сохраняется в рабочей области каждого прерывания. Можно запретить все прерывания, установив все биты MASK в нуль. В действительности поступать подобным образом нет необходимости.

Модель аппаратного обеспечения ПЭВМ с точки зрения ОС. Система ввода-вывода. Система прерываний. Реализация сервисных функций ОС с помощью обработчиков программных и аппаратных прерываний

Важнейшей функцией операционной системы является организация рационального использования всех аппаратных и программных ресурсов системы. К основным ресурсам могут быть отнесены: процессоры, память, внешние устройства, данные и программы. Располагающая одними и теми же ресурсами, но управляемая различными ОС, вычислительная система может работать с разной степенью эффективности. Поэтому знание внутренних механизмов операционной системы позволяет косвенно судить о ее эксплуатационных возможностях и характеристиках.

Модель аппаратного обеспечения ПЭВМ с точки зрения ОС

Среди устройств и узлов, входящих в состав компьютера, наиболее важными для выполнения любой программы является оперативная память и центральный микропроцессор. Взаимосвязь между процессором и памятью осуществляется посредством системного интерфейса: шин данных, адреса и управления (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Модель аппаратного обеспечения ВС

Система ввода-вывода

Система ввода-вывода, т. е. комплекс средств обмена информацией с внешними устройствами, является важнейшей частью архитектуры процессора и машины в целом. К системе ввода-вывода можно отнести и способы подключения к системной шине различного оборудования, и процедуры взаимодействия процессора с этим оборудованием, и команды процессора, предназначенные для обмена данными с внешними устройствами.

Непрерывное совершенствование микропроцессоров и стремление максимально повысить производительность всей вычислительно системы привело к существенному усложнению внутренней организации компьютеров: повышению разрядности шин, появлению внутренних быстродействующих магистралей обмена данными, использованию кэш-буферов для ускорения обмена с памятью и дисками и проч. Если, однако, отвлечься от важных с точки зрения производительности, но несущественных для программиста деталей, то логическую схему современного компьютера можно представить традиционным образом, в виде системной шины (магистрали), к которой подключаются сам микропроцессор и все устройства компьютера (рис. 1.13).

Системная шина представляет собой, в сущности, набор линий — проводов, к которым единообразно подключаются все устройства компьютера. В более широком плане в понятие системной шины следует включить электрические и логические характеристики сигналов, действующих на линиях шины, их назначение, а также правила взаимодействия этих сигналов при выполнении тех или иных операций на шине — то, что обычно называют протоколами обмена информацией. Сигналы, распространяющиеся по шине, доступны всем подключенным к ней устройствам, и в задачу каждого устройства входит выбор предназначенных ему сигналов и обеспечение реакции на них, соответствующей протоколу обмена.

Процессор связан с системной шиной большим количеством линий (практически всеми своими выводами), из которых нас будут интересовать только линии трех категорий: набор линий адресов, набор линий данных и сигналов управления. Процессор, желая записать данные по некоторому адресу в памяти, выставляет на линии адресов требуемый адрес, а на линии данных — данные. Устройство управления памятью расшифровывает поступивший ад

рес и, если этот адрес принадлежит памяти, принимает с линий данных поступившие данные и заносит их в соответствующую ячейку памяти. Описанная процедура отражает выполнение процессором команды типа

где mem — символическое обозначение ячейки памяти, принадлежащей сегменту данных программы.

Если процессор, выполняя команду типа

должен прочитать данное из памяти, он выставляет на линии адресов требуемый адрес и ожидает поступления данных. Устройство управления памятью, расшифровав поступивший адрес и убедившись в наличии такого адреса в памяти, отыскивает в памяти требуемую ячейку, считывает из нее данные и выставляет их на линии данных. Процессор снимает дан-

ные с шины и отправляет их в указанный в команде операнд (в данном случае в регистр АХ).

Описанные процедуры записи и чтения справедливы не только по отношении к памяти; для всех остальных устройств компьютера они выглядят точно так же. За каждым устройством закреплена определенная группа адресов, на которые оно должно отзываться. Обнаружив свой адрес на магистрали, устройство, в зависимости от заданного процессором направления

передачи данных, либо считывает с магистрали поступившие данные, либо, наоборот, устанавливает имеющиеся в нем данные на магистраль.

Все устройства компьютера можно условно разбить на две категории. Представителем одной категории является видеобуфер, входящий в видеосистему компьютера. Устройство управления видеобуфером настроено на две группы адресов, которые как бы продолжают адреса, относящиеся к оперативной памяти. Действительно, адрес последнего байта оперативной памяти составляет 9FFFFh, а уже следующий адрес AOOOOh является адресом первого байта графического видеобуфера. Графический видеобуфер занимает 64 Кбайт адресного пространства до адреса AFFFFh (реально немного меньше, но в плане рассматриваемого вопроса это не имеет значения). Текстовый видеобуфер расположен на некотором расстоянии от графического и занимает 32 Кбайт, начиная с адреса BSOOOh. Таким образом, адреса оперативной памяти и памяти видеобуфера разнесены и не перекрываются.

Ко второй категории устройств можно отнести все устройства, адреса которых перекрываются с адресами оперативной памяти. Например, за контроллером клавиатуры закреплены два адреса: 60h и 61h. По адресу 60h выполняется чтение кода нажатой клавиши, а адрес 61h используется для управления работой контроллера. И тот, и другой адрес имеются в оперативной памяти и, таким образом, возникает проблема распознавания устройства, к которому происходит обращение. Аналогичная ситуация наблюдается и со многими другими устройствами компьютера. Например, контроллер прерываний (КПП), служащий для объединения сигналов прерываний от всех устройств компьютера и направления их на единственный вход прерывания микропроцессора, управляется через два адреса. Поскольку в состав машины всегда включают два контроллера, для них выделяются две пары адресов. Во всех компьютерах типа IBM PC контроллерам прерываний назначаются адреса 20h-21h и A0h-Alh, которые так же отвечают и некоторым байтам оперативной памяти.

Проблема идентификации устройств с перекрывающимися адресами имеет два аспекта: аппаратный и программный. Идентификация устройств на системной шине осуществляется с помощью сигнала ЧтВУ/ЗпВУ, который генерируется процессором в любой операции записи или чтения. Однако значение этого сигнала зависит от категории адресуемого устройства. При обращении к памяти или видеобуферу процессор устанавливает значение сигнала ЧтОП/ЗпОП. Таким образом осуществляется аппаратное разделение устройств «типа памяти» и устройств «ввода-вывода».

Программное разделение устройств реализуется с помощью двух наборов команд процессора — для памяти и для устройств ввода-вывода. В первую группу команд входят практически все команды процессора, с помощью которых можно обратиться по тому или иному адресу — команды пересылки mov и movs, арифметических действий add, inul и div, сдвигов rol, ror, sal и sar, анализа содержимого байта или слова test и многие другие, фактически в эту группу команды входит большинство команд процессора. Вторую группу команд образуют специфические команды ввода-вывода. В МП 86 их всего две — команда ввода in и команда вывода out.

Наличие двух категорий адресов устройств дает основание говорить о существовании двух адресных пространств — пространства памяти, куда входит сама память, а также видеобуферы и ПЗУ, и пространства вводавывода (пространства портов), куда входят адреса остальной аппаратуры компьютера. При этом, если объем адресного пространства памяти составляет 1 Мбайт (а в защищенном режиме 4 Гбайт), то адресное пространство портов гораздо меньше — его размер составляет всего 64 Кбайт. Эта величина определяется форматом команд ввода-вывода. Адрес адресуемого порта должен быть записан в регистр DX (и ни в какой другой) и, таким образом, максимальное значение этого адреса составляет величину FFFFh. Реально из 64 Кбайт адресного пространства портов используется лишь очень малая часть.

Система прерываний

Система прерываний любого компьютера является его важнейшей частью, позволяющей быстро реагировать на события, обработка которых должна выполнятся немедленно: сигналы от машинных таймеров, нажатия клавиш клавиатуры или мыши, сбои памяти и пр. Рассмотрим в общих чертах компоненты этой системы.

Сигналы аппаратных прерываний, возникающие в устройствах, входящих в состав компьютера или подключенных к нему, поступают в процессор не непосредственно, а через два контроллера прерываний (КПП), один из которых называется ведущим, а второй — ведомым (рисунок 2.2). Два контроллера используются для увеличения допустимого количества внешних устройств. Дело в том, что каждый контроллер прерываний может обслуживать сигналы лишь от 8 устройств. Для обслуживания большего количества устройств контроллеры можно объединять, образуя из них веерообразную структуру.

Рисунок 2.2 – аппаратная организация прерываний

К входным выводам IRQ1. IRQ7 и IRQ8. IRQ15 (IRQ — это сокращеие от Interrupt Request, запрос прерывания) подключаются выводы уст ройств, на которых возникают сигналы прерываний. Выход ведущего контроллера подключается к входу INT микропроцессора, а выход ведомого — к входу IRQ2 ведущего. Основная функция контроллеров — передача сигналов запросов прерываний от внешних устройств на единственный вход прерываний микропроцессора. При этом, кроме сигнала INT, контроллеры передают в микропроцессор по линиям данных номер вектора, который образуется в контроллере путем сложения базового номера, записанного в одном из его регистров, с номером входной линии, по которой поступил запрос прерывания. Номера базовых векторов заносятся в контроллеры автоматически в процессе начальной загрузки компьютера. Для ведущего контроллера базовый вектор всегда равен 8, для ведомого – 70Н. Таким образом, номера векторов, закрепленных за аппаратными прерываниями, лежат в диапазонах 8h. Fh и 70h. 77h. Очевидно, что номера векторов аппаратных прерываний однозначно связаны с номерами линий, или уровнями IRQ, а через них – с конкретными устройствами компьютера.

Процессор, получив сигнал прерывания, выполняет последовательность стандартных действий, обычно называемых процедурой прерывания. Подчеркнем, что здесь идет речь лишь о реакции самого процессора на сигналы прерываний, а не об алгоритмах обработки прерываний, предусматриваемых пользователем в программах обработки прерываний.

Объекты вычислительной системы, принимающие участие в процедуре прерывания, и их взаимодействие показаны на рисунке. 2.3.

Рисунок 2.3 – процедура обслуживания прерывания

Самое начало оперативной памяти от адреса OOOOН до 03FFН отводится под векторы прерываний — четырехбайтовые области, в которых хранятся адреса обработчиков прерываний (рисунок 2.3). В два старшие байта каждого вектора записывается сегментный адрес обработчика, в два младшие — смещение (относительный адрес) точки входа в обработчик. Векторы, как и соответствующие им прерывания, имеют номера, причем вектор с номером 0 располагается, начиная с адреса 0, вектор 1 — с адреса 4, вектор 2 — с адреса 8 и т.д. Вектор с номером и занимает, таким образом, байты памяти от n*4 до n*4+3. Всего в выделенной под векторы области памяти помещается 256 векторов.

Получив сигнал на выполнение процедуры прерывания с определенным номером, процессор сохраняет в стеке выполняемой программы текущее содержимое трех регистров процессора: регистра флагов, CS и IP. Два последних числа образуют полный адрес возврата в прерванную программу. Далее процессор загружает CS и IP из соответствующего вектора прерываний, осуществляя, тем самым, переход на обработчик прерывания, связанный с этим вектором.

Обработчик прерываний всегда заканчивается командой iret (interrupt return, возврат из прерывания), выполняющей обратные действия — извлечение из стека сохраненных там слов и помещение их назад в регистры IP и CS, а также в регистр флагов. Это приводит к возврату в основную программу в ту самую точку, где она была прервана.

В действительности запросы на обработку прерываний могут иметь различную природу. Помимо описанных выше аппаратных прерывания от периферийных устройств, называемых часто внешними, имеются еще два типа прерываний: внутренние и программные.

Внутренние прерывания возбуждаются цепями самого процессора при возникновении одной из специально оговоренных ситуаций, например, при выполнении операции деления на ноль или при попытке выполнить несуществующую команду. За каждым из таких прерываний закреплен определенный вектор, номер которого известен процессору. Например, за делением на 0 закреплен вектор 0, а за неправильной командой — вектор 6. Если процессор сталкивается с одной из таких ситуаций, он выполняет описанную выше процедуру прерывания, используя закрепленный за этой ситуацией вектор прерывания.

Наконец, еще одним чрезвычайно важным типом прерываний являются программные прерывания. Они вызываются командой int с числовым аргументом, который рассматривается процессором, как номер вектора прерывания. Если в программе встречается, например, команда

то процессор выполняет ту же процедуру прерывания, используя в качестве номера вектора операнд команды int. Программные прерывания при меняются в первую очередь для вызова системных обслуживающих программ — функций DOS и BIOS.

Важно подчеркнуть, что описанные действия процессора выполняются совершенно одинаково для всех видов прерываний — внутренних, аппаратных и программных, хотя причины, возбуждающие процедуру прерывания, имеют принципиально разную природу.

Большая часть векторов прерываний зарезервирована для выполнения определенных действий; часть из них автоматически заполняется адресами системных программ при загрузке системы.

00h —внутреннее прерывание, деление на 0;

0lh —внутреннее прерывание, пошаговое выполнение (при TF=1);

02h —немаскируемое прерывание (вывод NMI процессора);

08h —аппаратное прерывание от системного таймера;

09h —аппаратное прерывание от клавиатуры;

0Eh —аппаратное прерывание от гибкого диска;

10h — программное прерывание, программы BIOS управления видеосистемой;

13h —программное прерывание, программы BIOS управления дисками;

16h —программное прерывание, программы BIOS управления клавиатурой;

1Dh —не вектор, адрес таблицы видеопараметров, используемой BIOS;

lEh —не вектор, адрес таблицы параметров дискеты, используемой BIOS;

21h —программное прерывание, диспетчер функций DOS;

22h —профаммное прерывание, адрес перехода при завершении процесса, используемый DOS;

23h —программное прерывание, обработчик прерываний по /C, используемый DOS;

25h — программное прерывание, абсолютное чтение диска (функция DOS);

26h —программное прерывание, абсолютная запись на диск (функция DOS);

60h. 66h — зарезервировано для программных прерываний пользователя;

68h. 6Fh — программные прерывания, свободные векторы;

70h —аппаратное прерывание от часов реального времени (с питанием от аккумулятора);

76h —аппаратное прерывание от жесткого диска;

Как видно из таблицы, векторы прерываний можно условно разбить на следующие группы:

векторы внутренних прерываний процессора (0lh, 02h и др.);

векторы аппаратных прерываний (08h. 0Fh и 70h. 771i);

программы BIOS обслуживания аппаратуры компьютера (10h, 13h, 16h и др.);

программы DOS (21h, 22h, 23h и др.);

адреса системных таблиц BIOS (1Dh, lEh и др.).

Системные программы, адреса которых хранятся в векторах прерываний, в большинстве своем являются всего лишь диспетчерами, открывающими доступ к большим группам программ, реализующих системные функции. Так, видеодрайвер BIOS (вектор 10h) включает программы смены видеорежима, управления курсором, задания цветовой палитры, загрузки шрифтов и многие другие. Особенно характерен в этом отношении вектор 21h, через который осуществляется вызов практически всех функций DOS: ввода с клавиатуры и вывода на экран, обслуживания файлов каталогов и дисков, управления памятью и процессами, службы времени и т.д. Для вызова требуемой функции надо не только выполнить команду int с соответствующим номером, но и указать системе в одном из регист-

ров (для этой цели всегда используется регистр АН) номер вызываемой функции. Иногда для «многофункциональных» функций приходится указывать еще и номер подфункции (в регистре AL).

Обработчики аппаратных прерываний

Обработчики прерываний являются важнейшей составной частью многих компонетов операционной системы. Как было показано в предыдущем разделе прерывания разделяются на внутренние, возникающие в самом микропроцессоре в случае определенных сбоев (попытка деления на 0, несуществующая команда), внешние, приходящие из периферийного оборудования (клавиатура, мышь, диски, нестандартные устройства, подключенные к компь-

ютеру) и программные, являющиеся реакцией процессора на команду INT с тем или иным номером. В прикладных программах приходится обрабатывать, главным образом, внешние и программные прерывания. Общие принципы обслуживания тех и других прерываний одинаковы, однако условия функционирования обработчиков аппаратных прерываний имеют значительную специфику, связанную, главным образом, с тем, что прерывания от аппаратуры приходят в произвольные моменты времени и могут прервать текущую программу в любой ее точке. Обработчик прерывания должен быть написан таким образом, чтобы его выполнение ни в какой степени не отразилось на правильном функционировании текущей (прерываемой) программы.

Рассмотрим схематически структуру и функционирование программного комплекса, включающего собственный обработчик какого-либо аппаратного прерывания (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 — Функционирование программного комплекса с обработчиком прерываний

Обработчик прерываний может входить в состав программы в виде процедуры, или просто являться частью программы, начинающейся с некоторой метки (входной точки обработчика) и завершающейся командой выхода из прерывания iret.

Программа, начиная свою работу, прежде всего должна выполнить инициализирующие действия по установке обработчика прерываний. В простейшем случае эти действия заключаются в занесении в соответствующий вектор полного адреса (сегмента и смещения) обработчика. Поскольку обработчик входит в состав программы, его относительный адрес известен; это имя его процедуры или метка входной точки. Что же касается сегментного адреса, то обработчик может входить в сегмент основной части программы, если она невелика по объему и занимает один сегмент, но может образовывать и самостоятельный сегмент. В любом случае в качестве сегментного адреса можно использовать имя соответствующего сегмента.

Часто инициализация обработчика, помимо установки вектора, предполагает и другие действия: сохранение исходного содержимого вектора прерывания, размаскирование соответствующего уровня прерываний в контроллере прерываний, посылка в устройство команды разрешения прерываний и проч.

Установив обработчик, программа может приступить к дальнейшей работе. В случае прихода прерывания, процессор сохраняет в стеке флаги и текущий адрес программы, извлекает из вектора адрес обработчика и передает управление на его входную точку. Все время, пока выполняется программа обработчика, основная программа, естественно, стоит. Завершающая обработчик команда iret извлекает из стека сохраненные там данные и возвращает управление в прерванную программу, которая может продолжить свою работу. Последующие прерывания обслуживаются точно так же.

Функции обработчика прерываний зависят от решаемой задачи и назначения того устройства, от которого поступают сигналы прерываний. В случае прерываний от клавиатуры задача обработчика прерываний — принять и сохранить код нажатой клавиши. Прерывания от мыши свидетельствуют о ее перемещении, что требует обновления положения курсора на экране. Если обслуживаемым устройством является физическая установка, то сигнал прерывания может говорить о том, что в установке накоплен определенный объем данных, которые надо перенести из памяти установки в память компьютера. В любом случае обработчик прерываний должен быть программой несложной, для выполнения которой не требуйся много машинного времени.

Для того, чтобы прикладной обработчик получал управление в результате прерываний, его адрес следует поместить в соответствующий вектор прерывания. При этом исходное содержимое вектора будет затерто, и если прерывания будут поступать и после завершения программы, возникнет весьма неприятная ситуация, когда управление будет передаваться по адресу, по которому в памяти может располагаться что угодно.

Поэтому стандартной методикой является сохранение в памяти исходного содержимого вектора и восстановление этого содержимого перед завершением программы.

Хотя и чтение, и заполнение вектора прерываний можно выполнить с помощью простых команд mov, однако предпочтительнее использовать специально предусмотренные для этого функции DOS. Для чтения вектора используется функция с номером 35h. В регистр AL помещается номер вектора. Функция возвращает исходное содержимое вектора в паре регистров ES:BX (легко догадаться, что в ES сегментный адрес, а в ВХ смещение). Для хранения исходного содержимого вектора в сегменте данных предусмотрена двухсловная ячейка old_08. В младшем слове этой ячейки (с фактическим адресом old_08) будет хранится смещение, в старшем (с фактическим адресом old_08+2) — сегментный адрес. Для того, чтобы обратиться к словам, составляющим эту ячейку, приходится использовать описатель word ptr, который как бы заставляет транслятор на время забыть о начальном объявлении ячейки и позволяет рассматривать ее, как два отдельных слова. Если бы мы отвели для исходного вектора две 16-битовые ячейки, например:

old_08_ofTs dw 0 ;Для смещения

old_08_seg dw 0 ;Для сегментного адреса

то к ним можно было бы обращаться без всяких описателей.

Сохранив исходный вектор, можно установить в нем адрес нашего обработчика. Для установки вектора в DOS предусмотрена функция 25h .Она требует указания номера устанавливаемого вектора в регистре AL, а его полного адреса в паре регистров DS:DX.

Перед завершением программы необходимо поместить в вектор 8 адрес исходного, системного обработчика, который был сохранен в двухсловном поле old_08. Перед вызовом функции 25h установки вектора в регистры DS:DX надо занести содержимое этого двухсловного поля. Эту операцию можно выполнить одной командой Lds, если указать в качестве ее первого операнда регистр DX, а в качестве второго — адрес двухсловной ячейки, в нашем случае old_08.

Рассмотрим стандартные действия по завершению самого обработчика прерываний. Выше уже говорилось, что последней командой обработчика должна быть команда iret, возвращающая управление в прерванную программу. Однако перед ней необходимо выполнить еще одно обязательное действие — послать в контроллер прерываний команду конца прерываний. Дело в том, что контроллер прерываний, передав в процессор сигнал прерывания INT, блокирует внутри себя линии прерываний, начиная с той, которая вызвала данное прерывание, и до последней в порядке возрастания номеров IRQ. Таким образом, прерывание, пришедшее, например по линии IRQ6 (гибкий диск) заблокирует дальнейшую обработку прерываний по линиям 6 и 7.

Любой обработчик аппаратных прерываний обязан перед своим завершением снять блокировку в контроллере прерываний,иначе вся система прерываний выйдет из строя. Снятие блокировки осуществляется посылкой команды с кодом 20h в один из двух портов, закрепленных за контроллером прерываний. Для ведущего контроллера эта команда посылается в порт 20h, для ведомого —

в порт A0h. Таким образом, если бы мы обрабатывали прерывания от часов реального времени (линия прерываний IRQ8, вектор 70h, ведомый контроллер), то команда конца прерывания выглядела бы так:

mov AL,20h ; Команда конца прерывания

out A0h,AL ;Пошлем ее в порт ведомого ;контроллера

Указанную последовательность команд иногда называют приказом, или командой EOI (от end of interrupt, конец прерывания).

Рассмотренный пример имеет существенный недостаток. Записав в вектор прерываний 8 адрес нашего обработчика, мы затерли исходное содержимое вектора и тем самым ликвидировали (в логическом плане) исходный, системный обработчик. Практически это приведет к тому, что на время работы нашей программы остановятся системные часы, и если в системе есть какие-то другие программы, использующие прерывания от таймера, они перестанут работать должным образом. Ликвидировать указанный недостаток очень просто: надо «сцепить» наш обработчик с системным так, чтобы в ответ на каждый сигнал прерывания активизировались последовательно оба обработчика. Рассмотрим методику сцепления обработчиков.

При инициализации прикладного обработчика, сцепляемого с системным, следует точно так же, как и раньше, сохранить в программе адрес системного обработчика и поместить в вектор прерывания адрес прикладного обработчика. Изменениям подвергнется только программа самого обработчика, начало которой должно выглядеть следующим образом:

;Сцепление прикладного обработчика с системным

pushf ;0тправляем в стек слово флагов

call CS:old_08 ;B системный обработчик

; Продолжение программы обработчика

Обработчики программных прерываний

Программные прерывания вызываются командой int, операндом которой служит номер вектора с адресом обработчика данного прерывания. Команда int используется прежде всего, как стандартный механизм вызова системных средств. Так, команда int 21h позволяет обратиться к многочисленным функциям DOS, а команды int 10h, int 13h или int 16h — к группам функций BIOS, отвечающим за управление теми или иными аппаратными средствами компьютера. В этих случаях обработчики прерываний представляют собой готовые системные программы, и в задачу программиста входит только вызов требуемого программного средства с помощью команды int с подходящим номером.

В некоторых специальных случаях, однако, программисту приходится писать собственный обработчик прерывания, которое уже обслуживается системой. Таким образом, например, осуществляется управление резидентными программами, которые для связи с внешним миром обычно используют прерывание 2Fh. В каждой резидентной программе имеется собственный обработчик этого прерывания, который, выполнив свою долю действий, передает управление «предыдущему», адрес которого находился ранее в векторе 2Fh, и был сохранен обработчиком в своих полях данных. Другой пример — перехват прерываний BIOS в обработчиках аппаратных прерываний с целью обнаружения моментов времени, когда ни одна из наличных программ не использует данное прерывание и, следовательно, сам обработчик может им воспользоваться.

Наконец, прикладной программист может воспользоваться одним из свободных векторов, написать собственный обработчик соответствующего прерывания и оставить его резидентным в памяти. После этого любые программы могут с помощью команды int вызывать этот обработчик, который, таким образом, становится резидентной программой общего пользования.

Резидентные программы

Большой класс программ, обеспечивающих функционирование вычислительной системы (драйверы устройств, оболочки DOS, русификаторы, интерактивные справочники и др.), должны постоянно находиться в памяти и мгновенно реагировать на запросы пользователя, или на какие-то события, происходящие в вычислительной системе. Такие программы носят названия программ, резидентных в памяти (Terminate and Stay Resident, TSR), или просто резидентных программ. Сделать резидентной можно как программу типа .СОМ, так и программу типа .ЕХЕ, однако поскольку резидентная программа должна быть максимально компактной, чаще всего в качестве резидентных используют программы типа .СОМ.

Программы, предназначенные для загрузки и оставления в памяти, обычно состоят из двух частей (секций) — инициализирующей и рабочей (резидентной). В тексте программы резидентная секция размещается в начале, инициализирующая — за ней.

При первом вызове программа загружается в память целиком и управление передается секции инициализации, которая заполняет или модифицирует векторы прерываний, настраивает программу на конкретные ти, так как он известен DOS. Для определения размера резидентной секции ее можно завершить предложением вида

где main — смещение начала программы, а при вызове функции 31h в

регистр DX заслать результат вычисления выражения (ressize+10Fh)/16.

Разность $ — main представляет собой размер главной процедуры. Однако перед главной процедурой размещается префикс программы, имеющий размер lOOh байт, который тоже надо оставить в памяти. Далее, при целочисленном делении отбрасывается остаток, т.е. происходит округление результата в сторону уменьшения. Для компенсации этого дефекта можно прибавить к делимому число 15 = Fh. Деление всего этого выражения на 16 даст требуемый размер резидентной части программы в параграфах (возможно, с небольшим кусочком секции инициализации величиной до 15 байт).

Функция 31h, закрепив за резидентной программой необходимую для ее функционирования память, передает управление командному процессору COMMAND.COM, и вычислительная система переходит, таким образом, в исходное состояние. Наличие программы, резидентной в памяти, никак не отражается на ходе вычислительного процесса за исключением того, что уменьшается объем свободной памяти. Одновременно может быть загружено несколько резидентных программ.

Для того, чтобы активизировать резидентную программу, ей надо как-то передать управление и, возможно, параметры. Как правило, активизация резидентной программы осуществляется с помощью механизма прерываний.

Кроме того, специально для взаимодействия с резидентными программами в DOS предусмотрено мультиплексное прерывание 2Fh.

Рассмотрим типичную структуру резидентной программы и системные средства оставления ее в памяти. Как уже отмечалось, резидентные программы чаще всего пишутся в формате -СОМ:

jmp init ;Переход на секцию инициализации

;Данные резидентной секции программы

entry: ;Точка входа при активизации

;Текст резидентной секции программы

ressize=S-myproc ; Размер (в байтах) резидентной секции

init proc ;Секция инициализации

mov DX,(ressize+10Fh)/16 .Размер в параграфах

mov AX,3100h ;Функция «завершить и

int 2lh ;оставить в памяти»

При первом запуске программы с клавиатуры управление передается на начало процедуры main (первый байт после префикса программы). Командой jmp осуществляется переход на секцию инициализации, в которой, в частности, подготавливаются условия для дальнейшей активизации программы уже в резидентном состоянии. Последними строками секции инициализации вызывается функция 31h, которая выполняет завершение программы с оставлением в памяти указанной ее части. С целью экономии памяти секция инициализации располагается в конце программы и отбрасывается при ее завершении.

Содержательная часть резидентной программы, начинающаяся с метки entry, активизируется, как уже отмечалось выше, с помощью аппаратного или программного прерывания и заканчивается командой iret. Таким образом, резидентная программа имеет по крайней мере две точки входа. После загрузки программы в память командой оператора, вводимой на командной строке, управление передается в точку, указанную в поле завершающего текст программы оператора end (начало процедуры main). Для программ типа .СОМ эта точка входа должна соответствовать самой первой строке программы, идущей вслед за префиксом программы. Поскольку при загрузке программы должна выполниться ее установка в памяти, первой командой программы всегда является команда перехода на секцию инициализации и установки.

После установки в памяти резидентная программа остается пассивной и никак не проявляет своего существования, пока не будет активизирована предусмотренным в ней для этого способом. Эта вторая точка вызова обозначена меткой Entry.

Знаете ли Вы, что, как и всякая идолопоклонническая религия, релятивизм представляет собой инструмент идеологического подчинения одних людей другим с помощью абсолютно бессовестной манипуляции их психикой для достижения интересов определенных групп людей, стоящих у руля этой воровской машины? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.