Функции подсистемы прерываний и их реализация
Подсистема прерываний должна обеспечивать выполнение следующих функций:
1) обнаружение изменения состояния внешней среды (запрос на прерывание);
2) идентификация источника прерывания;
3) разрешение конфликтной ситуации в случае одновременного возникновения нескольких запросов (приоритет запросов);
4) определение возможности прерывания текущей программы (приоритет программ);
5) фиксация состояния прерываемой (текущей) программы;
6) переход к программе, соответствующей обслуживаемому прерыванию;
7) возврат к прерванной программе после окончания работы прерывающей программы.
Рассмотрим варианты реализации в МПС перечисленных выше функций.
 |
(1) Фиксация изменения состояния внешней среды может осуществляться различными средствами: двоичными датчиками, компараторами, схемами формирования состояний и т.п. Будем полагать, что все эти средства формируют в конечном итоге логические сигналы запроса на прерывание z, причем для определенности будем считать, что активное состояние этого сигнала передается уровнем логической единицы (H - уровень).
Количество источников запросов в МПС может быть различно, в том числе и довольно велико. Дефицит внешних выводов МП исключает возможность передачи запросов от ВУ по "собственным" линиям интерфейса. Обычно на одну линию запроса подключается несколько источников прерываний (по функции ИЛИ), а иногда и все источники системы - на единственный вход (как в i8080).
Рис. 5.1. Организация векторного прерывания
Различают два типа входов запросов на прерывания - радиальные и векторные. Процессор анализирует состояние входов запросов в конце каждого машинного цикла.
(2) 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 на радиальный вход поступает несколько запросов, то необходимо осуществить программную идентификацию источника путем последовательного (в порядке убывания приоритетов) опроса всех возможных источников прерывания. Этот способ не требует дополнительных аппаратных затрат и одновременно решает проблему приоритета запросов (3), однако время реакции системы на запрос может оказаться недопустимо велико, особенно при большом числе источников прерываний.
Гораздо чаще в современных МПС используется т.н. "векторная" подсистема прерываний (Рис. 5.1). 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.
(3) 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 INTA и выдаст по нему свой вектор на шину данных.
Более гибко решается проблема организации приоритетов запросов при использовании в МПС специальных контроллеров прерываний (см. ниже).
Конфликты на радиальном входе исключаются самим порядком программного опроса источников.
(4) 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 так же 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.
В МП: машинный такт - машинный цикл - командный цикл. Рассмотрим возможность прерывания программы по окончанию различных процессов. Учитывая, что прерванная программа должна быть запущена по окончании работы прерывающей с того места, где она была прервана, подсистема прерываний МПС должна обеспечить фиксацию полного состояния прерываемой программы на момент прерывания.
При прерывании после текущего машинного такта требуется запоминать не только состояние всех регистров процессора (программно-доступных и системных), но и состояние первичного управляющего автомата. Реализация процедуры фиксации состояния и последующего восстановления потребует значительных затрат дополнительного оборудования и/или времени.
Значительный объем информации требуется запоминать и при прерывании программы после текущего машинного цикла (выбранный фрагмент или всю команду, выбранные операнды или сформированные адреса).
Поэтому в большинстве МП прерывание может осуществляться после выполнения очередной команды. Состояние программы в этом случае характеризуется содержимым счетчика команд (адрес следующей команды), а так же содержимым РОН и регистра флагов. Процедура перехода к прерывающей программе и последующего возврата из нее может быть полностью идентична действиям, выполняемым по командам ВЫЗОВ и ВОЗВРАТ. Состояние программного счетчика (а иногда и регистра флагов или PSW) аппаратно фиксируется в стеке, а значение РОНов - при необходимости программно в самом тексте прерывающей программы. Учитывая, что большинство команд МП являются короткими, время реакции МПС на запрос прерывания при анализе запросов по завершению текущего командного цикла не бывает большим.
Контроллеры прерываний
Внешние устройства, включенные в подсистему прерываний, должны реализовать несколько функций, связанных с работой в этой подсистеме - формирование запроса, анализ ответа процессора, выдачу вектора прерывания. Кроме того, в подсистеме необходимо обеспечить дисциплину обслуживания запросов. Перечисленные функции могут быть реализованы на специальных устройствах - контроллерах прерываний, которые выпускаются в виде БИС в составе многих микропроцессорных комплектов.
Рис. 5.2. Общая схема контроллера прерываний
Рис. 5.3. Контроллер К589ИК14
На Рис. 5.3 приведена структурная схема простого контроллера прерываний К589ИК14, применяемого совместно с МП К580ВМ80 (на схеме показаны лишь основные блоки и выводы контроллера).
Контроллер включает в себя следующие блоки:
Ø РгЗП - регистр запросов, на который поступают запросы на прерывание z0..z7 от внешних источников;
Ø ПШ - приоритетный шифратор, формирующий на выходе трехразрядный код номера возбужденного входа (соответствующего разряда РгЗП), причем, если на входе ПШ присутствуют несколько единиц, то на выходе будет сформирован код большего номера;
Ø Буф. - буферная схема, подключающая выход ПШ к линиям системной шины данных при подаче на управляющий вход сигнала подтверждения прерывания INTA;
Ø РгТП - регистр текущего приоритета, программно-доступный в пространстве ввода/вывода и хранящий трехразрядный код приоритета текущей программы;
Ø СС - схема сравнения, формирующая запрос на прерывание INT процессору при условии, что код наибольшего из поступивших запросов больше кода текущего приоритета.
МП проверяет состояние входа INT в конце каждого командного цикла при условии установки в "1" триггера разрешения прерывания TI. Если INT = 1, то МП вместо машинного цикла M1 следующего командного цикла выполняет цикл обслуживания прерывания, который отличается от M1 только тем, что вместо сигнала RDM\ вырабатывается сигнал INTA\ и программный счетчик PC не инкрементируется. Поэтому не происходит чтение команды из памяти (хотя ее адрес и выставлен на AB[15:0]), а по сигналу INTA\ контроллер выставляет на DB[5:3] трехразрядный номер запроса. На остальных линиях DB сохраняются лог. "1" (высокоимпедансное состояние). В такте T3 цикла обслуживания прерывания код с DB[7:0] записывается в регистр команд МП.
Код 11nnn111 представляет собой код одной из восьми команд RST 0. . RST 7, которые выполняются аналогично командам CALL, но с фиксированными адресами вызываемых подпрограмм:
RST 0 = CALL 0000h
RST 1 = CALL 0008h
RST 2 = CALL 0010h
.. . . . .
RST 7 = CALL 0038h
Таким образом, каждому запросу соответствует фиксированный адрес обслуживаемой его подпрограммы.
К недостаткам рассмотренного выше контроллера прерываний К589ИК14 относится жесткая система приоритетов запросов, не позволяющая обеспечить равновероятное обслуживание источников прерываний. Кроме того, контроллер не позволяет выделить произвольное подмножество разрешенных в данный момент прерываний из множества поступающих на его входы запросов. Возможно лишь задать определенный уровень, начиная с которого запросы будут разрешены.
Использование ..ИК14 накладывает ограничение на расположение обслуживающих прерывания подпрограмм или указателей на них в адресном пространстве памяти. Команды RST вызывают подпрограммы из начальной области адресов памяти (0000..0038), что не всегда удобно при организации МПС.