4. Организация прерываний в эвм
Назначение прерываний.
Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств машины. Включает устройство в работу центральный процессор. Он передает устройству команду и все необходимые для ее исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций.
Можно считать, что центральный процессор переключает свое внимание с устройства на устройство и с функции на функцию. На что именно обращено внимание ЦП в каждый данный момент, определяется выполняемой им программой.
Во время работы в ЦП поступает (и вырабатывается в нем самом) большое количество различных сигналов. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программа способна воспринять, обработать и учесть, составляют поле зрения ЦП или другими словами - входят в зону его внимания.
Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, наступления которых он “не ожидает”, существует система прерываний ЭВМ. При отсутствии системы прерываний все заслуживающие внимания события должны находиться в поле зрения процессора, что сильно усложняет программы и требует большой их избыточности. Кроме того, поскольку момент наступления события заранее не известен, процессор в ожидании какого-либо события может находиться длительное время, и чтобы не пропустить его появления, ЦП не может “отвлекаться” на выполнение какой-либо другой работы. Такой режим работы (режим сканирования ожидаемого события) связан с большими потерями времени ЦП на ожидание.
Кроме сокращения потерь на ожидание, режим прерываний позволяет организовать выполнение такой работы, которую без него реализовать просто невозможно. Например, при появлении неисправностей, нештатных ситуаций режим прерываний позволяет организовать работу по диагностике и автоматическому восстановлению в момент возникновения нештатной ситуации, прервав выполнение основной работы таким образом, чтобы сохранить полученные к этому времени правильные результаты. Тогда как без режима прерываний обратить внимание на наличие неисправности система могла только после окончания выполняемой работы (или ее этапа) и получения неправильного результата.
Прерывание (англ. interrupt) — сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передаётся обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код
Принцип действия системы прерываний заключается в следующем:
при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяются содержимое регистров, счетчиков, состояние отдельных управляющих триггеров, т.е. изменяется состояние процессора. Информация о состоянии процессора лежит в основе многих процедур управления вычислительным процессом. Не вся информация одинаково актуальна, есть существенные элементы, без которых невозможно продолжение работы. Эта информация должна сохраняться при каждом “переключении внимания процессора”.
Совокупность значений наиболее существенных информационных элементов называется вектором состояния или словом состояния процессора (в некоторых случаях она называется словом состояния программы).
Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы или повторного пуска ее с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора.
Вектор состояния формируется в соответствующем регистре процессора или в группе регистров, которые могут использоваться и для других целей.
В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:
асинхронные или внешние (аппаратные) — события, которые исходят от внешних источников (например, периферийных устройств) и могут произойти в любой произвольный момент: сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя, нажатие клавиш клавиатуры, движение мыши;
внутренние — события в самом процессоре как результат нарушения каких-то условий при исполнении машинного кода: деление на ноль или переполнение, обращение к недопустимым адресам или недопустимый код операции;
программные (частный случай внутреннего прерывания) — инициируются исполнением специальной инструкции в коде программы. Программные прерывания как правило используются для обращения к функциям встроенного программного обеспечения (firmware), драйверов и операционной системы.
В зависимости от возможности запрета внешние прерывания делятся на:
маскируемые — прерывания, которые можно запрещать установкой соответствующих битов в регистре маскирования прерываний (в x86-процессорах — сбросом флага IF в регистре флагов);
немаскируемые (англ. Non maskable interrupt, NMI) — обрабатываются всегда, независимо от запретов на другие прерывания. К примеру, такое прерывание может вызвать сбой в микросхеме памяти.
Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим, поскольку на время их работы могут не обрабатываться другие прерывания, а если их будет много (особенно от одного источника), то они могут теряться.
Обработка прерываний.
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.
Первый подход обеспечивает более быструю реакцию, но при этом необходимо при переходе к обработчику прерывания сохранять большой объем информации о прерываемой программе, включающей состояние буферных регистров процессора, номера завершившегося этапа и т.д. При возврате из обработчика также необходимо выполнить большой объем работы по восстановлению состояния процессора.
Во втором случае время реакции может быть достаточно большим. Однако при переходе к обработчику прерывания требуется запоминание минимального контекста прерываемой программы (обычно это счетчик команд и регистр флагов). В настоящее время в компьютерах чаще используется распознавание запроса прерывания после завершения очередной команды.
Время реакции определяется для запроса с наивысшим приоритетом.
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. 14.2. Здесь предполагается, что с увеличением номера запроса прерывания увеличивается его приоритет.
Рис. 14.2. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний
Аппаратная реакция на незамаскированное прерывание.
Сначала центральный процессор автоматически запоминает в некоторой области памяти (обычно в текущем стеке) самую необходимую (минимальную) информацию о прерванной программе. Во многих книгах по архитектуре ЭВМ это называется малым упрятыванием(giau kin) информации о считающейся в данный момент программе, что хорошо отражает смысл такого действия. Для нашего компьютера в стек последовательно записываются значения трёх регистров центрального процессора, это регистр флагов (FLAGS), кодовый сегментный регистр (CS) и счётчик адреса (IP). Как видим, эти действия при минимальном упрятывании похожи на действия при выполнении команды перехода с возвратом call, да и назначение у них одно – обеспечить возможность возврата в прерванное место текущей программы. Из этого следует, что стек должен быть у любой программе, даже если она сама им и не пользуется.
После выполнения минимального упрятывания центральный процессор по определённым правилам находит (вычисляет) адрес оперативной памяти, куда надо передать управление для обработки сигнала прерывания с данным номером. Говорят, что на этом месте оперативной памяти находится программа реакции (процедура обработки прерывания, обработчик) сигнала прерывания с данным номером.
Программная реакция на прерывание.
Действия, выполняемые в режиме с закрытыми прерываниями, обычно называются минимальной программной реакцией на прерывание. Как правило, минимальная программная реакция включает в себя следующие действия.
· Для прерванной программы запоминается вся информация, необходимая для возврата в эту программу. Это все адресуемые регистры (в том числе сегментные регистры и регистры для работы с вещественными числами), а также некоторые системные регистры (последнее сильно зависит от архитектуры конкретного компьютера). Вся эта информация запоминается в специальной области памяти, связанной с прерванной программой, обычно это областьпамяти называетсяинформационным полем программы или контекстов программы.
· Выполняются самые необходимые действия, связанные с произошедшим событием. Например, если нажата или отпущена клавиша на клавиатуре, то это надо где-то зафиксировать (например, запомнить в очереди введённых с клавиатуры символов). Если этого не сделать на этапе минимальной реакции и открыть прерывания, то процедура-обработчик может быть надолго прервана новым сигналом, который произведёт переключение на какую-то другую процедуру-обработчика, за время работы которой уже может быть нажата другая клавиша, а информация о нажатой ранее клавише таким образом будет потеряна.
После выполнения минимальной программной реакции процедура-обработчик включает (разрешает) прерывания . Далее производится полная программная реакция на прерывания, т.е. процедура-обработчик выполняет все необходимые действия, связанные с происшедшим событием. Вообще говоря, допускается, что на этом этапе процедура-обработчик может быть прервана другим сигналом прерывания. В этом случае процедура-обработчик должна при каждом входе в неё резервировать память под свой контекст, где будут запоминаться данные, необходимые для возврата в эту процедуру.
Закончив полную обработку сигнала прерывания, процедура-обработчик должна вернуть управление программе, прерванной последним сигналом прерывания. Для этого сначала необходимо из контекста прерванной программы восстановить значение всех её регистров (кроме регистров FLAGS,CS и IP). После этого надо произвести возврат на следующую команду прерванной программы, для чего в нашем компьютере можно использовать специальную команду языка машины – команду выхода из прерывания
iret
Команды прерываний.
INT (тип прерывания)
Команда INT (прерывание) инициирует выполнение процедуры обработки прерывания, определенного в операнде "тип прерывания". Эта команда сохраняет в стеке регистр флагов, очищает флаги TF и IF для запрещения пошагового выполнения и маскируемых прерываний. Флаги сохраняются в том же формате, что и в команде PUSHF. Затем в стеке сохраняется текущее содержимое регистра сегмента кода CS, вычисляется адрес вектора прерывания путем умножения "типа прерывания" на четыре, и второе слово этого вектора помещается в регистр сегмента кода CS. Далее в стеке сохраняется текущее содержимое счетчика команд IP, и в этот регистр записывается первое слово вычисленного вектора прерывания.
int 21h ;Вызов DOS для исполнения
INTO
Команда INTO (прерывание при переполнении) генерирует программное прерывание, если установлен флаг переполнения (OF), в противном случае управление передается следующей команде. Вектор прерывания INTO расположен по адресу 10h. Действие этой команды аналогично действию команды INT.
IRET
Команда IRET (возврат из прерывания) возвращает управление в точку, откуда прерывание было вызвано, заполняя из стека регистры IP, CS и регистр флагов. Команда IRET используется для выхода из процедур обработки как программных, так и аппаратных прерываний.
DAA
Команда DAA (десятичная коррекция сложения) приводит содержимое регистра AL к виду правильного упакованного десятичного числа после предшествующей команды сложения. Команда DAA изменяет значение флагов AF, CF, PF, SF и ZF; содержимое флага OF после выполнения команды DAA не определено.
AAS
Команда AAS (коррекция вычитания неупакованных десятичных чисел) корректирует результат предшествующего вычитания двух правильных неупакованных десятичных чисел. Операндом назначения в команде вычитания должен быть регистр AL. Команда AAS приводит значение в AL к виду правильного неупакованного десятичного числа; старший полубайт при этом обнуляется. Если результат вычитания оказывается меньше 0, выполняется декремент содержимого регистра АН. AAS воздействует на флаги AF и CF; Значение флагов OF, PF, SF и ZF после выполнения команды AAS не определено.
и мн.др.
Литература: [2], [3], [4], [5].
ИНФОРМАТИКА