Лекция7 (Лекции по микропроцессорной технике)

8

тема: ОРГАНИЗАЦИЯ ПРЕРЫВАНИЙ

Вопросы:

1. Система прерываний ЭВМ

2. Аппаратные прерывания

3. Программные прерывания

Литература:

1 вопрос: [1] стр. 107-110;

2 вопрос: [2] стр. 53-58;

3 вопрос: [1] стр. 134-136.

1. Система прерываний ЭВМ

Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств машины. Устройство включается в работу центральным процессором (ЦП). 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.

Например, если процессором исполняется программа сложения двух двойных слов, которая анализирует регистр флагов ЦП, то в ее «поле зрения» находятся флаги микропроцессора, определяющие знаки исходных данных и результата, наличие переноса из тетрады или байта, переполнения разрядной сетки и др. Такая программа готова реагировать на любой из сигналов, находящихся в ее зоне внимания (а поскольку именно программа управляет работой ЦП, то она определяет и «зону внимания» центрального процессора). Но если во время выполнения такой программы нажать какую-либо клавишу, то эта программа «не заметит» сигнала от этой клавиши, так как он не входит в ее «поле зрения».

Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, и 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 неизвестен, процессор в ожидании какого-либо события может находиться длительное время, и, чтобы не пропустить его появления, ЦП не может «отвлекаться» на выполнение 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.

Таким образом, система прерываний позволяет микропроцессору выполнять основную работу, не отвлекаясь на проверку состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости, или прервать выполняемую работу и переключиться на анализ возникшей ситуации сразу после ее появления.

Помимо требующих внимания нештатных ситуаций, которые могут возникнуть при работе микропроцессорной системы, процессору полезно уметь «переключать внимание» и на различные виды работ, одновременно выполняемые в системе. Поскольку управление работой системы осуществляется программой, этот вид прерываний должен формироваться программным путем.

В зависимости от места нахождения источника прерываний они могут быть разделены на:

• внутренние (программные и аппаратные) прерывания;

• внешние прерывания (поступающие в ЭВМ от внешних источников).

Принцип действия системы прерываний заключается в следующем: при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется 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 оно 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.

Наборы информационных элементов, образующих векторы состояния, отличаются у ЭВМ разных типов.

Например, в IBM PC вектор состояния включает содержимое счетчика команд, сегментных регистров, регистра флагов и аккумулятора (регистра АХ).

При возникновении события, требующего немедленной реакции со стороны машины, ЦП прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенной для данного события, по завершении которой возвращается к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется прерыванием.

Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается специальным сигналом, который называется запросом прерывания.

Программа, затребованная запросом прерывания, называется обработчиком прерывания.

Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре (зафиксированных схемами контроля), переполнения разрядной сетки, деления на нуль, выхода за установленные для данной программы области памяти, затребования периферийным устройством операции ввода-вывода, завершения операции ввода-вывода или возникновения при этой операции особых условий и т.д.

Некоторые из этих запросов порождаются самой программой, но время их возникновения невозможно предсказать заранее.

При наличии нескольких источников запросов прерывания часть из них может поступать одновременно. Поэтому в ЭВМ устанавливается определенный порядок (дисциплина) обслуживания поступающих запросов. Кроме того, в ЭВМ предусматривается возможность разрешать или запрещать прерывания определенных видов.

ПЭВМ IBM PC может выполнять 256 различных прерываний, каждое из которых имеет свой номер (двухразрядное шестнадцатеричное число).

Все прерывания делятся на две группы:

• прерывания с номера 00h по номер 1Fh называются прерываниями BIOS - базовой системы ввода-вывода (BIOS - Basic Input-Output System);

• прерывания с номера 20h no номер FFh называются прерываниями DOS.

Прерывания DOS имеют более высокий уровень организации, чем прерывания BIOS, они строятся на использовании модулей BIOS в качестве элементов.

Прерывания делятся на три типа: аппаратные, логические и программные.

Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора: прерывание № 2 - отказ питания; № 8 - от таймера; № 9 - от клавиатуры; № 12 - от адаптера связи; № 14 - от НГМД; № 15 - от устройства печати и др.

Запросы на логические прерывания вырабатываются внутри микропроцессора при появлении «нештатных» ситуаций: прерывание № 0 - при попытке деления на 0; № 4 - при переполнении разрядной сетки арифметико-логического устройства; № 1 - при переводе микропроцессора в пошаговый режим работы; № 3 - при достижении программой одной из контрольных точек. Последние два прерывания используются отладчиками программ для организации пошагового режима выполнения программ (трассировка) и для остановки программы в заранее намеченных контрольных точках.

Запрос на программное прерывание формируется по команде «INTn » (где n - номер вызываемого прерывания).

Запрос на аппаратное или логическое прерывание вырабатывается в виде специального электрического сигнала.

2. Аппаратные прерывания

Аппаратные прерывания обеспечивают реакцию процессора на события, происходящие асинхронно по отношению к исполняемому программному коду.

Процессоры семейства х86 поддерживают таблицу, содержащую определения до 256 процедур обслуживания, и различают четыре источника прерываний:

• внутренние прерывания процессора и сопроцессора;

• немаскируемые внешние прерывания;

• маскируемые внешние прерывания;

• программно-вызываемые прерывания.

Последние из этого списка в прямом смысле прерываниями не являются, поскольку представляют собой лишь специфический способ вызова процедур - не по адресу, а по номеру в таблице.

Условия возникновения прерываний проверяются процессором на границе инструкций. Это означает, что все шинные операции текущей инструкции будут завершены до начала обработки прерывания. При обработке прерывания процессор сохраняет в стеке слово состояния (регистры флагов, кодового сегмента и указатель следующей инструкции), сбрасывает флаг разрешения прерываний IF и вызывает процедуру обслуживания, точка входа в которую описана в таблице прерываний, хранящейся в ОЗУ. Процедура обработки завершается инструкцией IRET, по которой из стека восстанавливаются автоматически сохраненные регистры (в регистре флагов прерывания разрешены) и процессор начинает выполнение инструкции, следующей за той, после которой исполнялось прерывание.

Конечно, программно во время обслуживания прерывания возможно умышленное или случайное изменение указателя или содержимого стека, и тогда инструкция IRET «отправит» процессор по другому адресу, в результате чего компьютер может и зависнуть. Прерывания могут быть и вложенными, если процедура обслуживания установит флаг IF. Тогда возникает опасность переполнения стека, поскольку каждое «вложение» будет использовать его для своих целей. Переполнение стека может также являться причиной зависаний. Длинные процедуры обработки со сброшенным флагом IF могут привести к потере системного времени, поскольку «часы» операционной системы используют аппаратные прерывания от таймера.

Процедура обслуживания для каждого источника аппаратных прерываний должна быть написана весьма осмотрительно, и учитывать нюансы работы остальных подсистем.

Внутренние прерывания процессора (исключения) генерируются при возникновении особых условий выполнения текущей инструкции. В большинстве своем они не столько асинхронны, сколько неожиданны для исполнения программного кода.

Под эти прерывания фирмой Intel были зарезервированы первые 32 вектора таблицы прерываний, однако в IBM PC/XT/AT многие из них пересекаются с внешними и программными прерываниями, что порождает некоторые проблемы.

Немаскируемые прерывания обрабатываются процессором независимо от состояния флага разрешения прерывания IF. К ним относятся прерывания, приходящие по линии NMI, а для процессоров, поддерживающих режим системного управления, еще и по линии SMI#.

Сигнал на линию NMI приходит от схем контроля паритета памяти, от линии IOCHK шины ISA или SERR шины PCI. В машинах класса AT сигнал NMI блокируется до входа процессора установкой в «I» бита 7 порта 070h, отдельные источники - битами 2, 3 порта 061h (см. примечание). Идентифицировать источник NMI позволяют биты 6, 7 регистра 061h.

В XT NMI вызывается еще и математическим сопроцессором при возникновении исключения. Запретить NMI позволяет обнуление бита 7 порта 0A0h; отдельные источники блокируются битами 4, 5 регистра 061h; идентифицируют источники биты 6, 7 регистра 062h (см. п. 2.7.1).

Если во время обработки немаскируемого прерывания повторно появляется сигнал NMI, то вложенного прерывания не будет - повторный вызов обработчика NMI возможен только после исполнения инструкции IRET.