47902 (Организация прерываний и прямого доступа к памяти в вычислительных системах, распределение ресурсов, технология Plug and Play), страница 3

08h - двойная ошибка;

0Ah - недействительный сегмент состояния задачи TSS;

0Bh - отсутствие сегмента в памяти;

0Ch - исключение при работе со стеком;

0Dh - исключение по защите памяти.

Заметим, что аналога коду ошибки для зарезервированных прерываний в реальном режиме нет. Рассмотрим следующий пример: Пусть в нашей системе реализована виртуальная память. Программа в некоторый момент времени обратилась к отсутствующему в оперативной памяти сегменту, выполняя какую-либо команду, например MOV или ADD. Возникло исключение 0Bh - отсутствие сегмента в памяти. Обработчик этого исключения, входящий в состав операционной системы поместил соответствующий сегмент в оперативную память. Затем выполнение прерванной команды повторяется. Это можно сделать, так как для всех повторно запускаемых исключений (кроме 03h - прерывание по точке останова и 04h - переполнение) в стек включается адрес не следующей за прерванной командой, а адрес первого байта команды, которая вызвала исключение. Выполнив команду IRET, программа обработки исключения вновь передаст управление прерванной команде. Свойством повторной запускаемости обладает большинство зарезервированных прерываний, кроме следующих:

01h - прерывание для пошаговой работы;

08h - двойная ошибка;

09h - превышение сегмента сопроцессором;

0Dh - исключение по защите памяти;

10h - исключение сопроцессора.

После возврата процессора в реальный режим необходимо восстановить состояния контроллера прерываний. При этом BIOS перепрограммирует контроллер прерываний для работы в реальном режиме При загрузке операционной системы, после инициализации процедурой POST, все неиспользуемые входы контроллеров будут замаскированы (на запросы прерываний реагировать не будут), их векторы прерываний указывают на процедуру с единственной инструкцией IRET (возврат). Для подключения программы обработчика прерывания необходимо загрузить обработчик в память и установить указатель на него в таблице прерываний, размаскировать соответствующий ему вход в контроллере прерываний, для чего выполняется обнуление соответствующего бита регистра маски. Если же обработчик прерывания удаляется из памяти, предварительно должен быть замаскирован соответствующий ему вход контроллера. Все изменения в таблице прерываний должны выполняться при замаскированных прерываниях, чтобы избежать попытки использования вектора в процессе его модификации. Для устройств PCI выделяется четыре проводных линии запросов (IRQX, IRQY, IRQZ, IRQW), соединяемых с контактами INTA#, INTB#, INTC# и INTD# всех слотов PCI с циклическим смещением цепей. Таким образом, на слотах PCI остаются доступными лишь четыре обычные линии запросов. Устройство PCI вводит сигнал прерывания низким уровнем на выбранную линию INTx#. Этот сигнал должен удерживаться до тех пор, пока программный драйвер, вызванный по прерыванию, не сбросит запрос прерывания, обратившись по шине к данному устройству. Если после этого контроллер прерываний снова обнаруживает низкий уровень на линии запроса, это означает, что запрос на ту же линию ввело другое устройство, разделяющее данную линию с первым, и оно тоже требует обслуживания. Линии запросов от слотов PCI и PCI-устройств системной платы коммутируются на входы контроллеров прерываний относительно произвольно. Конфигурационное программное обеспечиние может определить и указать занятые линии запросов и номер входа контроллера прерываний обращением к конфигурационному пространству устройства. Программный драйвер, прочитав конфигурационные регистры, тоже может определить эти параметры для того, чтобы установить обработчик прерываний на нужный вектор и при обслуживании сбрасывать запрос с требуемой линии. Каждая функция устройства PCI может задействовать свою линию запроса прерывания, но его обработчик прерывания должен быть готовым к ее разделению (совместному использованию) с другими устройствами.

5. Контроллер прерываний APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller)

Система с APIC (рис.3.) состоит из локальных контроллеров, установленных в процессорах, и контроллеров прерываний (одного или нескольких) от устройств ввода/вывода. Задача каждого локального контроллера (Local APIC) — трансляция полученных сообщений в сигналы, вызывающие все аппаратные прерывания своего процессора — маскируемые (INTR), немаскируемые (NMI) и прерывания системного обслуживания (SMI). Кроме того, локальные APIC позволяют каждому процессору генерировать прерывания для других процессоров. Локальный контроллер имеет внутренний интервальный таймер, позволяющий вырабатывать прерывания через программируемый интервал времени.

Рис.3. Взаимодействие встроенного APIC и I/O APIC по системной шине

Контроллер прерываний от ввода/вывода (I/O APIC) в мультипроцессорном режиме отвечает за распределение прерываний по процессорам, для чего может использоваться статическое или динамическое распределение. В случае статического распределения для каждого номера прерывания указывается номер процессора, который его обслуживает. В случае динамического распределения каждое прерывание направляется наименее приоритетному в данный момент процессору. Этот же контроллер отвечает за распространение сигналов о системных событиях (NMI, INIT, SMI) и межпроцессорных прерываний.

Встроенный в процессор программируемый контроллер прерываний APIC расширяет количество ранее введенных функций контроллера прерываний. Встроенный APIC предназначен для регистрации прерываний от источников внутри процессора (например, от блока температурного контроля) или от внешнего контроллера прерываний и передачи их ядру процессора на обработку. Особо важная роль возлагается на встроенный APIC в многопроцессорных системах, где APIC принимает и генерирует сообщения о межпроцессорных прерываниях (IPI - InterProcessor Interrupt). Такие сообщения могут использоваться для распределения обработки прерываний между процессорами или для выполнения системных функций (первоначальная загрузка, диспетчеризация задач и т.п.). Все процессоры многопроцессорной системы принимают сигналы, поступающие на вход INTR# ( маскируемые аппаратные прерывания). Бит IF в регистре флагов позволяет заблокировать (замаскировать) обработку таких прерываний. Сигналы прерываний, поступающие на вход NMI#, являются немаскируемыми аппаратными прерываниями Немаскируемые прерывания не блокируются флагом IF. Как мы уже знаем, пока выполняется программа - обработчик немаскируемого прерывания, процессор блокирует получение немаскируемых прерываний до выполнения инструкции IRET, чтобы исключить одновременную обработку нескольких немаскируемых прерываний. Структура встроенного APIC является архитектурным подмножеством микросхемы контроллера прерываний Intel 82489.

Встроенный APIC различает следующие источники прерываний:

1. От локальных внутренних устройств. Сигнал запроса прерывания поступает от устройства, непосредственно подключенного к сигналам LINT0 и LINT1 (например, от контроллера прерыванийтипа 8259A).

2. От внешних устройств. Сигнал запроса прерывания от устройства, подключенного к системному контроллеру прерываний.

3.Межпроцессорные (IPI). В многопроцессорных системах один из процессоров может прервать другой при помощи сообщения IPI.

4. От таймера APIC. Встроенный APIC содержит таймер, который можно запрограммировать на генерацию прерывания по достижении определенного отсчета времени.

5. От таймера монитора производительности. Современные процессоры содержат блок мониторинга производительности. Этот блок можно запрограммировать таким образом, чтобы связанный с ним таймер при достижении определенного отсчета генерировал прерывание.

6. От термодатчика. Современные процессоры содержат встроенный блок температурного контроля, который можно запрограммировать на генерацию прерываний.

7. Внутренние ошибки APIC. Встроенный APIC может генерировать прерывания при возникновении внутренних ошибочных ситуаций (например, при попытке обратиться к несуществующему регистру APIC).

Источники 1, 4, 5, 6, 7 считаются локальными источниками прерываний и обслуживаются специальным набором регистров APIC, называемым таблицей локальных векторов (LVT - local vector table). Два других источника обрабатываются APIC через механизм сообщений. Эти сообщения, начиная с процессора Pentium 4 передаются по системной шине, поэтому контроллер прерываний подключен непосредственно к обычному системному интерфейсу (например, к шине PCI). Наличие встроенного APIC в процессоре обнаруживается при помощи инструкции CPUID(1). После сигнала RESET встроенный APIC включен, однако впоследствии он может быть отключен, тогда процессор будет работать с прерываниями как Intel-386/486 (линии LINT0 и LINT1 будут использоваться как NMI# и INTR#, к которым может быть подключен контроллер прерываний типа 8259A).

Таблица локальных векторов (LVT) состоит из шести 32-битных регистров:

регистр вектора прерывания от таймера;

регистр вектора прерывания от термодатчика

регистр вектора прерывания от монитора производительности

регистр вектора прерывания LINT0;

регистр вектора прерывания LINT1;

регистр вектора прерывания ошибки.

Значения в этих регистрах определяют:

номер вектора прерывания;

тип прерывания ( fixed - прерывание с указанным вектором, SMI - системное прерывание, переход в режим системного управления, NMI - немаскируемое прерывание, INIT - сброс, ExtINT - внешнее прерывание: при получении такого запроса на прерывание процессор генерирует цикл INTA и ожидает номер вектора прерывания от внешнего контроллера;

маску прерывания (прерывание может быть замаскировано).

Эти регистры также отражают состояние прерывания (доставляется ли это прерывание ядру процессора в данный момент).

Кроме того, APIC содержит регистры управления таймером APIC, регистр версии, регистр ошибки, регистры, связанные с обслуживанием прерываний (регистр приоритета, регистр запроса IRR, регистр обслуживания ISR), и регистры, связанные с передачей и приемом IPI.

Контроллер APIC в первую очередь предназначен для симметричных мультипроцесорных систем (SMP), описанных в документе Intel «MultiProcessor Specification» (MPS). Здесь симметрия рассматривается в двух аспектах:

симметрия памяти — все процессоры пользуются общей памятью, работают с одной копией ОС;

симметрия ввода/вывода — все процессоры разделяют общие устройства ввода/вывода и общие контроллеры прерываний.

Система может быть симметричной по памяти, но асимметричной по прерываниям от ввода/вывода, если для них используется выделенный процессор. Симметрию по прерываниям обеспечивает APIC. Прерывания в мультипроцессорных системах подробно рассмотрены в документе «Intel Architecture Software Developer’s Manual Volume 3: System Programming Guide», доступном на сайте http://www.intel.com. Здесь же ограничимся описаниями возможностей, предоставляемыми для сигнализации прерываний ввода/вывода контроллерами APIC.

Контроллер I/O APIC является частью чипсета системной платы, например, он входит в хабы ICH2 и ICH3 чипсетов Intel. В специфкации MPS определено три режима обработки прерываний:

Режим PIC (PIC Mode) — эмуляция пары PIC 8259A с традиционной передачей сигналов прерывания одному процессору (загрузочному, BSP Bootstrap Pro cessor) по линиям INTR и NMI;

Ррежим работы с подачей сигналов прерывания по локальной шине APIC. При этом I/O APIC может работать совместно с PIC 8259A, обеспечивая дополнительные возможности (в частности, дополнительные входы запросов прерываний);

Режим, когда прерывания от устройств генерирует I/O APIC; прерывания могут доставляться любому процессору; каждый вход запроса индивидуально программируется с помощью таблицы перенаправления прерываний (I/O Redirection Table).

Первые два режима обеспечивают полную совместимость с системой прерываний PC/AT, с программной точки зрения они эквивалентны, различия лежат в области схемотехники. По аппаратному сбросу или при включении питания система начинает работать в одном из этих режимов. Когда система подготовится к переходу в многопроцессорный (MP) режим, APIC переводится в симметричный режим и активизирует таблицу перенаправлений прерываний (предварительно программно инициализированную).

В MP-системе присутствует таблица описаний ее компонентов. К системе прерываний в этой таблице относятся описатели всех I/O APIC, а также описатели назначений всех используемых источников прерываний, связанных с I/O APIC и локальными APIC. В описателе назначения для каждого источника прерываний указывается:

тип прерывания: векторное с передачей вектора через APIC, векторное с внешней передачей вектора (от PIC 8259A), NMI или SMI;

полярность сигнала и его тип (уровень или перепад);

идентификатор шины, на которой расположен источник;

идентификатор запроса на этой шине;