47902 (Организация прерываний и прямого доступа к памяти в вычислительных системах, распределение ресурсов, технология Plug and Play)

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Иркутский государственный технический университет

Курсовая работа

по Организации ЭВМ

«Организация прерываний и прямого доступа к памяти в вычислительных системах, распределение ресурсов, технология Plug and Play»

Выполнил: студент группы

Проверил: преподаватель

Иркутск 2010г.

Содержание

1. Прерывания и исключения

2. Основные принципы организации системы прерываний

3. Аппаратные средства системы прерываний Системный контроллер PIC (Programmable Interrupt Controller)

4. Обработка прерываний на основе контроллера 8259A

5. Контроллер прерываний APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller)

6. Режим прямого доступа к памяти

7. Распределение ресурсов, технология Plug and Play

Список литературы

1. Прерывания и исключения

Чтобы обработать запросы от внешних устройств, сообщить об ошибках или исключительных обстоятельствах необходимо прервать выполнение текущей программы и осуществить некоторые необходимые в данной ситуации действия.. Чем отличаются прерывания и исключения. Различия между прерываниями и исключениями состоят в том, что прерывания предназначены для обработки запросов от внешних устройств, а исключения для обработки ошибок, возникающих при выполнении команд. Программные прерывания также относятся к исключениям. С помощью команды INT n ( где n - номер прерывания) можно выполнить прерывание с любым номером в диапазоне от 0 до 255. Номера 0...31 зарезервированы фирмой Intel для исключений. Прерывания, произведенные оборудованием, выполняются после выполнения текущей команды и происходят в результате каких-то внешних асинхронных (не связанных с текущим процессом) событий, нажатие клавиши, например. После того, как программа обработки прерываний заканчивает обслуживание прерывания, выполнение прерванной программы продолжается с команды, которая следует сразу за командой, после которой произошло прерывание. Исключения классифицируются как ошибки, ловушки или прекращения (преждевременное прекращение выполнения программы).

Источниками исключений являются три типа событий:

генерируемые программой исключения, позволяющие программе контролировать определенные условия в заданных точках программы (INT0 - проверка на переполнение, INT3 - контрольная точка, BOUND - проверка границ массива);

исключения машинного контроля, возникающие в процессе контроля операций внутри чипа и транзакций на шине процессора (справедливо для процессора Pentium 4);

обнаруженные процессором ошибки в программе (деление на ноль, нарушение правил защиты, отсутствие страницы и т.п.)

Ошибки - это исключения, которые обнаруживаются и выполняются до выполнения команды содержащей ошибку. Например, ошибка возникает в системе виртуальной памяти, когда процессор ссылается на страницу или сегмент, которые отсутствуют в оперативной памяти. Операционная система выберет страницу или сегмент с диска и разместит его в оперативной памяти, после чего процессор выполнит команду. Ловушки- это исключения, о которых сообщается немедленно после выполнения той команды, которая вызывает исключение (произведенное действие уже не исправить). Прекращения - это исключения, которые не позволяют определить точно команду, вызвавшую исключение. Прекращения используются для сообщения о грубых ошибках, таких как аппаратная ошибка, неправильные значения в системных таблицах. В остальных случаях адрес возврата в текущую программу из программы, обрабатывающей исключение всегда укажет на команду, которая вызвала исключение. Все возможные прерывания сводятся в специальную таблицу ( до 256 различных прерываний и исключений). В таблице каждому прерыванию или исключению сопоставляется вектор прерывания- это указатель на соответствующую программу обслуживания (вектор позволяет найти адрес программы, обрабатывающей прерывание).

Программные прерывания

Команда INT n в выполняемой программе заставляет процессор выполнять программу обслуживания, на которую указывает вектор n в таблице прерываний. Современные программы оперируют с преобразованными адресами памяти и программы прерывания служат обычно единственным средством для выхода из программы в операционную систему. Программные прерывания могут использоваться для доступа к сервисам операционной системы (например, INT $21 - сервисы DOS, INT $80 - сервисы Linux), функциям драйверов устройств (например, INT $33 - драйвер мыши) или специальным сервисам (INT $10 - видео-сервис BIOS, INT $31 - DPMI-сервис), INT $67 - сервис EMS). Особым случаем программного прерывания INT с номером n является прерывание INT 3, или прерывание останова. Путем ввода данной команды в программу, пользователь имеет возможность устанавливать точки останова, как инструмент отладки программы. Еще один тип программного прерывания, применяемого при отладке, - прерывание пошагового режима.

Маскируемые прерывания

Маскируемые прерывания - наиболее общий способ ответа на асинхронные внешние сигналы от аппаратуры. Такое прерывание может быть разрешено или запрещено. Аппаратное прерывание разрешено тогда, когда бит флага прерываний разблокирован (установлен в 1). Процессор обслуживает разрешенное маскируемое прерывание только после выполнения текущей команды. Он читает вектор прерывания, аппаратно установленный на шине данных, и определяет адрес программы обработки прерывания. Бит флага прерывания в регистре флагов (регистре состояния) может сбрасываться, когда обслуживается прерывание. Это позволяет предотвратить дополнительное прерывание во время обслуживания первого прерывания. Если флаг прерывания установлен, возможно прерывание программы обработки текущего прерывания и обработка другого прерывания, т.е. разрешается обработка вложенных прерываний.

Приоритетность прерываний

Поскольку прерывания распознаются только после выполнения текущей команды, запросить прерывание может более чем один источник прерывания. В этом случае прерывания будут обслуживаться согласно (уровню) приоритету. Например, пусть заданная команда вызывает системное прерывание отладки и исключение "сегмент отсутствует". Процессор сначала отреагирует на исключение "сегмент отсутствует" (11), при этом активизируется программа обработки исключения 11. Затем программа обработки исключения 11 будет прервана программой обработки прерывания отладки, после отладки управление снова будет передано обработчику исключения 11. Использование приоритетов прерываний позволяет системотехнику отлаживать свои собственные обработчики исключений.

Немаскируемые прерывания (NMI — Non-Maskable Interrrupt)

Немаскируемые прерывания обеспечивают обслуживание прерываний очень высокого уровня. Одним из распространенных примеров немаскируемых (NMI ) прерываний может служить прерывание по сбою питания. Во время процедуры обслуживания немаскируемых прерываний процессор не будет обслуживать другие прерывания ( запрос NMI или INT), до тех пор, пока не будет выполнена команда возврата из прерывания (IRET). Флаг блокировки прерываний устанавливается в начале выполнения немаскируемого прерывания. Если другое немаскируемое прерывание (NMI) произойдет во время обслуживания немаскируемого прерывания, запрос будет сохранен для его обработки после первой команды возврата из программы обработки текущего немаскируемого прерывания.

Обработка прерываний

Когда происходит прерывание, происходят следующие действия. Во-первых, адрес текущей команды и регистр флагов сохраняются в стеке, что позволяет возобновить прерванную программу. Затем, по вектору, который определяет соответствующий элемент в таблице прерываний определяется начальный адрес программы обработки прерывания. Выполняется программа обработки. И наконец, после команды возврата из программы обработки прерывания (IRET) восстанавливается прежнее состояние процессора и по адресу возврата (по адресу сохраненному в стеке) возобновляется выполнение программы.

2. Основные принципы организации системы прерываний

Можно выделить следующие классы прерываний:

Внутрипроцессорные прерывания, вызванные событиями, происходящими в самом процессоре.

Внутрисистемные прерывания, определяемые событиями в системных устройствах компьютера.

Прерывания в выполняемой программе, возникающие при обращении к системе BIOS.

Межпроцессорные прерывания в мультипроцессорных системах, когда один процессор прерывает работу другого, организуя обработку программы прерывания.

Реализация режима прерывания включает следующие шаги:

Идентификация источника прерывания;

Сохранение текущего состояния прерываемой программы;

Запрещение повторных прерываний от установленного источника прерывания;

Выполнение программы обработки прерывания;

Восстановление состояния прерванной программы и продолжение вычислений.

Для взаимодействия программ с устройствами предусматривается несколько способов:

при помощи вызовов функций операционной системы (прерывания DOS, API Windows и т. п.);

при помощи вызовов функций базовой системы ввода-вывода (BIOS);

непосредственно взаимодействуя с портами и памятью внешних устройств или контроллеров интерфейсов этих устройств.

Обычный одноядерный процессор может выполнять только один процесс, передавая управление от инструкции к инструкции согласно исполняемой программе. При этом могут исполняться переходы, ветвления и вызовы процедур, но вся последовательность действий запрограммирована разработчиком программы.

Теперь рассмотрим случай, когда во время этого процесса случается асинхронное (не связанное с выполняемым процессом)событие, требующее реакции компьютера. Рассмотрим нажатие клавиши на клавиатуре. Клавиатура по нажатию (и по отпусканию) любой клавиши генерирует специальную посылку, содержащую код этого события (скан-код клавиши). Контроллер клавиатуры, находящийся на системной плате, принимает этот код в свой внутренний регистр и сигнализирует об этом двумя способами: устанавливает флаг готовности (бит в регистре состояния, который может быть прочитан процессором по адресу определенного порта ввода) и генерирует сигнал запроса прерывания (сигнал IRQ1). Этот сигнал поступает на вход контроллера прерываний. Контроллер прерываний формирует сигнал запроса, поступающий на вход маскируемого прерывания процессора. Если у процессора маскируемые прерывания разрешены, то он запросит у контроллера номер вектора прерывания, соответствующего данному источнику прерывания. Сигнал от клавиатуры соответствует вектору 9. Получив значение вектора, процессор сохранит в стеке адрес следующей инструкции исполняемого процесса и выполнит вызов процедуры обработки прерывания, адрес которой задан в 9-м элементе таблицы векторов прерываний. Вызванная процедура считает скан-код из контроллера клавиатуры (в ответ он сбросит бит готовности в своем регистре состояния), выполнит необходимые действия, связанные с получением этого кода. Процедура обработки прерывания завершается специальной инструкцией возврата, по которой управление вернется прерванному процессу.

Прерывания используют и для переключения задач в многозадачных системах. Пусть, например, имеются два процесса ( две прикладные программы), которые должны выполняться как бы одновременно (по-настоящему одновременно один фон-неймановский процессор их выполнить не может). Можно запустить один процесс, а через некоторое время его работы по аппаратному прерыванию (от таймера) сохранить в памяти текущее состояние процесса (все регистры, программно-доступные этому процессу) и запустить другой процесс. Через некоторое время по следующему прерыванию выполнить обратное переключение: сохранить состояние второго процесса (в другом месте памяти), загрузить в регистры процессора состояние первого процесса и продолжить его выполнение. Эти переключения задач следует выполнять в течение исполнения обоих программ с частотой, создающей у пользователя иллюзию одновременности. Понятно, что ресурсы процессора (производительность) в этом случае делятся между задачами, пропорционально выделяемым им квантам времени. Чтобы пользователя такая производительность процессов удовлетворяла (а еще учтем расходы времени на сохранение и восстановление процессов при переключениях), у процессора должна быть достаточная мощность.

Для того, чтобы процессы не мешали друг другу (по недосмотру или умышленно), требуются меры принудительной защиты критических ресурсов. Современные операционные системы используют защищенный режим процессора, в котором эти меры реализуются на аппаратном уровне. Поскольку программа может взаимодействовать с подсистемами компьютера только через пространства памяти и портов ввода-вывода, а также аппаратные прерывания, то защищать нужно эти три типа ресурсов. Самую сложную защиту имеет память. Операционная система выделяет каждому процессу области памяти — сегменты — различного назначения и с разными правами доступа. Из одних сегментов можно только читать данные, в другие возможна и запись. Для программного кода выделяются специальные сегменты, инструкции могут выбираться и исполняться только из них.

Переключение задач производится по сигналу прерывания от таймера для процессов, работающих псевдопараллельно. Поэтому программисту, разрабатывающему прикладную программу, в большинстве случаев не надо заботиться о многозадачной работе. В распоряжение его программы предоставляется виртуальная машина (тоже фон-неймановская), которая выполняет единственный процесс. Конечно, поддержка виртуальных машин требует определенных усилий со стороны многозадачной операционной системы, которой приходится распределять не только процессорное время, но и память, устройства хранения, ввода-вывода и коммуникационные — то есть все ресурсы реального компьютера. В этом ей помогают специальные средства, введенные в процессоры x86 2–3-го поколений и постоянно развиваемые в старших поколениях. Кроме того современные процессоры имеют специальные интерфейсные средства для построения многопроцессорных систем. Интерфейс позволяет объединять в систему до 4-х процессоров, при этом почти все их одноименные выводы объединяются. Целью объединения является либо использование симметричной мультипроцессорной обработки SMP (Symmetric Multi-Processing), либо построение функционально-избыточных систем FRC (Functional Redundancy Checking).

3. Аппаратные средства системы прерываний Системный контроллер PIC (Programmable Interrupt Controller)

Рассмотрим, как организована система прерываний в IBM-совместимых персональных компьютерах. Современный процессор предназначен для работы в многопроцессорных системах и организация прерываний претерпела некоторые изменения. Если ранее для организации прерываний применялся только системный контроллер PIC (Programmable Interrupt Controller), то начиная с процессора Pentium каждый современный процессор имеет встроенный контроллер APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) для выполнения ряда новых функций и поддержки ранее введенной системы прерываний. Часть контроллера APIC - I/O APIC встраивается в чипсет, обеспечивающий работу процессора в вычислительной системе и, кроме дополнительных функций, выполняющий функции контроллера PIC, поддерживая аппаратную совместимость с прежними вычислительными системами. Чтобы понять, как работает современная система прерываний, познакомимся с обработкой прерываний на основе контроллера 8259А.

4. Обработка прерываний на основе контроллера 8259A