Тема 2.2: обработка прерываний
В архитектуре ПЭВМ базовая система ввода/вывода (БСВВ) занимает особое место. Ее можно рассматривать, с одной стороны, как составляющую часть аппаратных средств, с другой стороны, это система является одним из программных модулей ОС.
Одной из важных функция БСВВ – обслуживание системных вызовов, или прерываний. Системные вызовы вырабатываются программными или аппаратными средствами с целью выполнения различных операций. Для реализации системных вызовов используется механизм прерываний. Суть этого механизма заключается в том, что текущая работа машины, в чем бы она ни состояла, может быть приостановлена на короткое время одним из сигналов, который указывает на возникновение ситуации, требующей немедленной обработки
Прерывание - это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой - обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы.
Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами.
При прерывании ОС сохраняет состояние процессора –значения регистров и значение счетчика команд (program counter – PC)– адреса прерванной команды.Обработчик прерывания в ОС определяет по содержимому сегмента объектного кода, какого вида прерывание возникло и какие действия по его обработке следует предпринять. Среди возможных видов прерываний, кроме фиксации различных ошибок, имеются также прерывания по таймеру– периодические прерывания через определенный квант времени, предназначенные для опроса устройств (polling)– действий операционной системы по периодической проверке состояния всех портов и внешних устройств, которое может меняться с течением времени: например, к USB-порту была подключена флэшка; принтер закончил печать и освободился, и т.д. ОС выполняет реконфигурацию системы и корректирует системные таблицы, хранящие информацию об устройства
Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.
Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора. Механизмы обработки прерываний обоих типов схожи. Рассмотрим функционирование компьютера при появлении сигнала запроса прерывания, опираясь в основном на обработку аппаратных прерываний (рис. 13).
Рис. 13. Выполнение прерывания в компьютере:
tр - время реакции процессора на запрос прерывания;
tс - время сохранения состояния прерываемой программы и вызова обработчика прерывания;
tв - время восстановления прерванной программы.
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.
Прерывания можно разделить на три группы: аппаратные, логические и программные.
Источники аппаратных прерываний – падение напряжения питания, нажатие клавиши на клавиатуре, приход очередного импульса от счетчика времени, возникновение специальных сигналов от накопителей на гибких или жестких дисках и др.
Логические, или процессорные, прерывания возникают при различных нестандартных ситуациях в работе основного микропроцессора – делении на нуль, переполнении регистров, появлении «точки останова» и др.
Программные прерывания – самая обширная категория. Вырабатываются они, когда одна программа хочет получить определенный сервис со стороны другой программы, причем этот сервис обычно связан с работой аппаратных средств.
Каждое прерывание имеет уникальный номер и с ним может быть связана определенная подпрограмма, призванная обслуживать возникшую ситуацию. Сама обслуживающая подпрограмма, вообще говоря, тоже может быть приостановлена другим прерыванием; но чаще всего на период работы подпрограммы, обслуживающей некоторое прерывание, другие прерывания «маскируются», т. е. не обслуживаются немедленно, а становятся в очередь.
В аппаратных компонентах машины в самой ДОС и в прикладных программах могут вырабатываться прерывания, которые нужно обслуживать. На БСВВ возлагается задача обслуживания прерываний нижнего уровня – тех, которые требуют непосредственного управления аппаратными компонентами. Этим прерываниям присвоены номера с 0 по 31 (шестнадцатеричные номера 0 – 1F). Другие прерывания – с номерами 32 – 63 (шестнадцатеричные номера 20 – 3F) – относятся к более высокому уровню, и их обслуживание возлагается на другие модули ОС.
В табл. 3 приведен общий перечень прерываний, обслуживаемых БСВВ. В реальных программах на языке ассемблера и в технической литературе по ОС прерывания идентифицируются шестнадцатеричиыми кодами. Из анализа табл. 3 видно, что обслуживаемые БСВВ прерывания соответствуют базовым операциям по управлению внешними устройствами – дисплеем, клавиатурой, НГМД, принтером, коммуникационными каналами. При этом подпрограммы, входящие в БСВВ, выполняют операции нижнего уровня. Так, например, обслуживание НГМД включает возможность начальной установки магнитных головок, проверки текущего статуса устройства, прямого чтения и записи заданных секторов диска, верификации прочитанных или записанных данных и, наконец, форматирования (начальной разметки) дисков.
Таблица 3. Прерывания, обслуживаемые БСВВ
| Деся- тичный номер | Шестнадца- теричный номер | Обслуживаемая ситуация или выполняемая функция |
| Деление на ноль | ||
| Перевод микропроцессора в пошаговый режим | ||
| Падение напряжения питания | ||
| Появление точки останова в последовательности команд | ||
| Переполнение регистров арифметического устройства | ||
| Печать графической копии экрана | ||
| Зарезервировано | ||
| Зарезервировано | ||
| Сигнал от счетчика времени – таймера | ||
| Сигнал от нажатия клавиши на клавиатуре | ||
| А | Зарезервировано | |
| Деся- тичный номер | Шестнадца- теричный номер | Обслуживаемая ситуация или выполняемая функция |
| В | Зарезервировано | |
| С | Зарезервировано | |
| D | Зарезервировано | |
| Е | Сигнал об окончании обмена с НМД | |
| F | Зарезервировано для обслуживания принтера | |
| Управление дисплеем | ||
| Запрос списка подсоединенного оборудования | ||
| Запрос размера физической памяти | ||
| Управление НМД | ||
| Управление коммуникационным адаптером | ||
| Управление магнитофоном и другими устройствами | ||
| Управление клавиатурой | ||
| Управление принтером | ||
| Обращение к встроенному в ПЗУ бейсику | ||
| Перезапуск системы | ||
| 1А | Запрос/установка текущего времени и даты | |
| 1В | ||
| 1С | ||
| 1D | Адрес таблицы параметров инициализации дисплея. | |
| 1E | Адрес таблицы параметров НГМД | |
| 1F | Адрес таблицы символов с кодами 128-255 |
Некоторые из указанных в табл. 3 прерываний обеспечивают доступ к нескольким взаимосвязанным функциям. Каждая функция идентифицируется своим шестнадцатеричным номером (кодом) и обеспечивает выполнение некоторой частной операции.
Так, например, прерывание 19 (управление НГМД и НМД) открывает доступ к 18 функциям с кодами 0-17):
0 - начальная установка (сброс диска),
1 - выдача текущего статуса диска,
2 - чтение группы (блока) секторов с одной дорожки,
3 - запись группы секторов на одну дорожку,
4 - верификация после чтения или записи,
5 - форматирование дорожки (запись меток секторов),
8 - выдача текущих параметров накопителя,
9 - инициализация таблицы параметров фиксированного диска,
А - «длинное» чтение,
В - «длинная» запись,
С - поиск нужной дорожки,
D - начальная установка диска,
10 - проверка готовности диска,
11 - калибровка диска,
14 - диагностика контроллера,
15 - выдача типа накопителя,
16 - изменение статуса диска,
17 - установка типа накопителя.
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. 10. Здесь предполагается, что с увеличением номера запроса прерывания увеличивается его приоритет.
Рис. 14. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний
При поступлении запроса прерывания компьютер выполняет следующую последовательность действий:
1) определение наиболее приоритетного незамаскированного запроса на прерывание (если одновременно поступило несколько запросов);
2) определение типа выбранного запроса;
3)сохранение текущего состояния счетчика команд и регистра флагов;
4) определение адреса обработчика прерывания по типу прерывания и передача управления первой команде этого обработчика;
5) выполнение программы - обработчика прерывания;
6)восстановление сохраненных значений счетчика команд и регистра флагов прерванной программы;
7) продолжение выполнения прерванной программы.
Этапы 1-4 выполняются аппаратными средствами ЭВМ автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 6 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания.
Переход к соответствующему обработчику прерывания осуществляется (в реальном режиме работы микропроцессора) посредством таблицы векторов прерываний. Эта таблица располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит значения сегментного регистра команд (CS) и указателя команд (IP) для 256 обработчиков прерываний.
Вектор прерывания – ячейка памяти, содержащая адрес обработчика прерывания.
Вектора прерываний объединяются в таблицу векторов прерываний. Местоположение таблицы зависит от типа и режима работы микропроцессора.
Главные функции механизма прерывания:
1.Распознавание или классификация прерывания.
2. Передача управления обработчику прерывания.
3. Корректное возвращение к прерванной программе
Переход от прерванной программе к обработчику и обратно должен производится как можно быстрее. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе, перед передачей управления обработчику, содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке.
Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке им присваиваются приоритеты. Программы, управляя специальными регистрами маски, позволяют реализовать различные дисциплины обслуживания:
Вложенные прерывания.
При вложенных прерываниях, процедура обработки текущего прерывания может быть прервана (отложена) при поступлении запроса на прерывание, имеющего более высокий уровень приоритета. После обработки прерывания с более высоким уровнем приоритета процессор возвращается к прерванной процедуре и продолжает обработку данного прерывания до ее окончания или до нового прерывания. Очевидно, что процедура обработки прерывания с более высоким уровнем может быть в свою очередь прервана прерыванием с еще более высоким уровнем приоритета и т.д. При этом прерывания, имеющие более низкий уровень приоритета по сравнению с текущим, обычно запрещаются (маскируются).