Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ (2006) (1186252), страница 25

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 25)

6.3.3. Прерывания

Подсистема прерываний— совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих реакцию программы на события, происходящие вне программы. Такие события возникают, как правило, случайно и асин­хронно по отношению к программе и требуют прекращения (чаще временно­го) выполнения текущей программы и переход на выполнение другой про­граммы (подпрограммы), соответствующей возникшему событию.

Различают внутренние и внешние (по отношению к процессору) события, требующие реакции подсистемы прерываний. К внутренним событиям отно­сятся переполнение разрядной сетки при выполнении арифметических опе­раций, попытка деления на 0, извлечение корня четной степени из отрица­тельного числа, появление несуществующего кода команды, обращение про­граммы в область памяти, для нее не предназначенную, сбой при выполнении передачи данных или операции в АЛУ и многое другое. Внутренние преры­вания должны обеспечиваться развитой системой аппаратного контроля про­цессора, поэтому они не получили широкого распространения в простых 8- и 16-разрядных МП.

Внешние прерывания могут возникать во внешней по отношению к процес­сору среде и отмечать как аварийные ситуации (кончилась бумага на принте­ре, температура в реакторе превысила допустимый уровень, исполнительный орган робота дошел до предельного положения и т. п.), так и нормальные ра­бочие события, которые происходят в случайные моменты времени (нажата клавиша, исчерпан буфер принтера или ВЗУ и т. п.). Во всех этих случаях требуется прервать выполнение текущей программы и перейти на выполне­ние другой программы (подпрограммы), обслуживающей данное событие.

С точки зрения реализации внутренние и внешние прерывания функциони­руют одинаковым образом, хотя при работе подсистемы с внешними преры­ваниями возникают дополнительные проблемы идентификации источника прерывания. Поэтому ниже остановимся на рассмотрении внешних преры­ваний.

Анализ состояния внешней среды можно осуществлять путем программного сканирования — считывания через определенные промежутки времени слов состояния всех возможных источников прерываний, выделения признаков отслеживаемых событий и переход (при необходимости) на прерывающую подпрограмму (часто ее называют обработчиком прерывания). Однако такой способ не обеспечивает для большинства применений прием­лемого времени реакции системы на события, особенно при необходимости отслеживания большого числа событий. К тому же при коротком цикле ска­нирования большой процент процессорного времени тратится на проверку (чаще безрезультатную) состояния внешней среды.

Гораздо эффективней организовать взаимодействие с внешней средой таким образом, чтобы всякое изменение состояния среды, требующее реакции МПС, вызывало появление на специальном входе МП сигнала прерывания текущей программы. Организация прерываний должна быть обеспечена оп­ределенными аппаратными и программными средствами, которые мы и на­зываем подсистемой прерываний.

Подсистема прерываний должна обеспечивать выполнение следующих функций:

□ обнаружение изменения состояния внешней среды (запрос на прерыва­ние);

□ идентификация источника прерывания;

□ разрешение конфликтной ситуации в случае одновременного возникнове­ния нескольких запросов (приоритет запросов);

□ определение возможности прерывания текущей программы (приоритет программ);

□ фиксация состояния прерываемой (текущей) программы;

□ переход к программе, соответствующей обслуживаемому прерыванию;

□ возврат к прерванной программе после окончания работы прерывающей программы.

Рассмотрим варианты реализации в МПС перечисленных выше функций.

Обнаружение изменения состояния внешней среды

Фиксация изменения состояния внешней среды может осуществляться раз­личными схемами: двоичными датчиками, компараторами, схемами формиро­вания состояний и др. Будем полагать, что все эти схемы формируют в ко­нечном итоге логические сигналы запроса на прерывание z, причем для оп­ределенности будем считать, что активное состояние этого сигнала передается уровнем логической единицы (Н-уровень).

Количество источников запросов в МПС может быть различно, в т. ч. довольно велико. Дефицит внешних выводов МП в общем случае исключа­ет возможность передачи каждого запроса от ВУ по "собственной" линии интерфейса. Обычно на одну линию запроса подключается несколько ис­точников прерываний (по функции ИЛИ), а иногда и все источники запро сов — на единственный вход.

Управляющий автомат процессора должен периодически анализировать со­стояние линии (линий) запросов на прерывания. Каким образом выбирается период проверки? С одной стороны, этот период должен быть коротким, что­бы обеспечить быструю реакцию системы на события. С другой стороны, при переходе на обслуживание прерывания требуется сохранить текущее состоя­ние процессора на момент прерывания, с тем, чтобы, завершив программу-обработчик, продолжить выполнение прерванной программы "с того же мес­та", на котором произошло прерывание.

Напомним, что в основе работы процессора лежит командный цикл (см. разд. 2.1), состоящий, в свою очередь, из машинных циклов, каждый из которых длится несколько тактов. Осуществлять прерывание в произволь­ном такте невозможно, т. к. при этом пришлось бы сохранять в качестве кон­текста прерванной программы состояние всех элементов памяти процессора.

Прерывание по завершению текущего машинного цикла требует сохранение текущего состояния незавершенной команды. Например, при возникновении прерывания в том месте командного цикла, когда из памяти выбраны код команды и первый операнд, а для второго операнда только сформирован ис­полнительный адрес, следует сохранить: содержимое программного счетчика PC, код команды, первый операнд и адрес второго операнда. Сохранение этой информации требует как дополнительных аппаратных, так и временных за-: трат. Очевидно, при возврате к прерванной программе проще начать выпол­нение текущей команды заново. В этом случае сохранять при прерывании достаточно лишь значение PC. Поэтому в большинстве случаев процессоры анализируют состояние линий запросов в конце каждого командного цикла.

Идентификация источника прерывания

Различают два типа входов запросов на прерывания — радиальные и вектор­ные. Получив запрос на прерывание, процессор должен идентифицировать его источник, т. е. в конечном счете определить начальный адрес обслужи­вающей это прерывание программы. Способ идентификации зависит от типа входа, на который поступил запрос.

Каждый радиальный вход связан с определенным адресом памяти, по кото­рому размещается указатель на обслуживающую программу или сама про­грамма. Если радиальный вход связан с несколькими источниками запросов, то необходимо осуществить программную идентификацию путем последова­тельного (в порядке убывания приоритетов) опроса всех связанных с этим входом источников прерывания. Этот способ не требует дополнительных ап­паратных затрат и одновременно решает проблему приоритета запросов, од­нако время реакции системы на запрос может оказаться недопустимо боль­шим, особенно при большом числе источников прерываний.

Гораздо чаще в современных МПС используется т. н. векторная подсистема прерываний. В такой системе микропроцессор, получив запрос на векторном входе INT, выдает на свою выходную линию сигнал подтверждения преры­вания INTA, поступающий на все возможные источники прерывания. Источ­ник, не выставивший запроса, никак не реагирует на сигнал INTA. Источник, выставивший запрос, получая сигнал INTA, выдает на системную шину дан­ных "вектор прерывания" — свой номер или адрес обслуживающей програм­мы или, чаще, адрес памяти, по которому расположен указатель на обслужи­вающую программу. Время реакции МПС на запрос векторного прерывания минимально (1—3 машинных цикла) и не зависит от числа источников.

Приоритет запросов

Для исключения конфликтов при одновременном возникновении нескольких запросов на векторном входе ответный сигнал INTA подается на источники запросов не параллельно, а последовательно — в порядке убывания приори­тетов запросов. Источник, не выставлявший запроса, транслирует сигнал INTA со своего входа на выход, а источник, выставивший запрос, блокирует дальнейшее распространение сигнала INTA. Таким образом, только один ис­точник, выставивший запрос, получит от процессора сигнал ПМТА и выдаст по нему свой вектор на шину данных.

Более гибко решается проблема организации приоритетов запросов при ис­пользовании в МПС специальных контроллеров прерываний.

Конфликты на радиальном входе исключаются самим порядком программно­го опроса источников.

Приоритет программ

Прерывание в общем случае может возникать не только при решении "фоно­вой" задачи, но и в момент работы другой прерывающей программы, причем не всякую прерывающую программу допустимо прерывать любым запросом. В фоновой задаче также могут встречаться участки, при работе которых пре­рывания (все или некоторые) недопустимы. В общем случае в каждый мо­мент времени работы процессора должно быть выделено подмножество за­просов, которым разрешено прерывать текущую программу.

В МПС эта задача решается на нескольких уровнях. В процессоре обычно предусматривается программно-доступный флаг разрешения/запрещения прерывания, значение которого определяет возможность или невозможность всех прерываний. Для создания более гибкой системы приоритетов программ на каждом источнике прерываний может быть предусмотрен специальный программно-доступный триггер разрешения формирования запроса. В таком случае возможно формирование произвольного подмножества разрешенных в данный момент источников прерываний.

При использовании контроллера внешних прерываний, в нем обычно преду­сматривают специальный программно-доступный регистр, разряды которого маскируют соответствующие линии запросов на прерывание, запрещая кон­троллеру вырабатывать сигнал прерывания процессору, если запросы от ВУ поступают по замаскированным линиям. Однако замаскированные запросы сохраняются в контроллере и в дальнейшем, при изменении состояния реги­стра маски, могут быть переданы на обслуживание.

Обработка прерывания

К обработке прерывания отнесем фиксацию состояния прерываемой про­граммы, переход к программе, соответствующей обслуживаемому прерыва­нию, и возврат к прерванной программе после окончания работы прерываю­щей программы.

Выше мы определили, что большинство процессоров может прервать выпол­нение текущей программы и переключиться на реализацию обработчика пре­рывания только после завершения очередной команды. При этом в качестве контекста прерванной программы необходимо сохранить текущее состояние счетчика команд PC, а в PC загрузить новое значение — адрес программы-обработчика прерывания. Очевидно, адрес возврата в прерванную программу (содержимое PC на момент прерывания) следует размещать в стеке, что по­зволит при необходимости осуществлять вложенные прерывания (когда в процессе обслуживания одного прерывания получен запрос на обслуживание другого).

Можно вспомнить, что подобный механизм реализован в системах команд многих процессоров для выполнения команд вызовов подпрограммы (call, jsr). В этих командах адрес вызываемой подпрограммы содержится в коде команды.

В случае вызова обработчика прерывания его адрес необходимо связать либо со входом, на который поступил запрос (радиальные прерывания), либо с но­мером источника прерываний, сформировавшего запрос (векторные преры­вания). В первом случае не требуется никаких внешних процедур для иден­тификации источника, сразу можно запускать связанный со входом обработ­чик. Понятно, здесь идет речь об отсутствии необходимости в аппаратных процедурах идентификации источника запроса. Если на радиальный вход "работают" несколько источников, то выбор осуществляется программными способами.

В случае векторных прерываний адрес перехода связывают с информацией, поступающей от источника запроса по шине данных в машинном цикле об­служивания прерывания — вектором прерывания.

Напомним, что любой командный цикл процессора начинается с чтения команды из памяти. В первом машинном цикле командного цикла процессор выдает на шину адреса содержимое PC, формирует управляющий сигнал RDM и помещенное памятью на шину данных слово интерпретирует как команду (или ее начальную часть, если длина команды превышает длину ма­шинного слова).

Если в конце очередного командного цикла процессор обнаруживает (не­замаскированный) запрос на векторном входе, он начинает следующий командный цикл с небольшими изменениями: содержимое PC по-прежнему выдается на шину адреса (чтобы не нарушать общности цикла), но вместо сигнала RDM формирует сигнал INTA. Источник запроса (чаще — контрол­лер прерываний) в ответ на сигнал INTA формирует на шину данных код ко­манды вызова подпрограммы, в адресной части которой размещается адрес обработчика соответствующего прерывания.

Характеристики

Список файлов книги