Обработка прерываний в персональной ЭВМ

Микропроцессоры типа х86 имеют два входа запросов внешних аппаратных прерываний:

• NMI - немаскируемое прерывание, используется обычно для запросов прерываний по нарушению питания;
• INT - маскируемое прерывание, запрос от которого можно программным образом замаскировать путем сброса флага IF в регистре флагов.

Рис. 14.4. Структура контроллера приоритетных прерываний

Единственный вход запроса маскируемых прерываний микропроцессора не позволяет подключить к нему напрямую сигналы запросов от большого числа различных внешних устройств, которые входят в состав современного компьютера: таймера, клавиатуры, "мыши", принтера, сетевой карты и т.д. Для их подключения к одному входу INT микропроцессора используется контроллер приоритетных прерываний (рис. 14.4). Его функции:

• восприятие и фиксация запросов прерываний от внешних устройств;
• определение незамаскированных запросов среди поступивших запросов;
• проведение арбитража: выделение наиболее приоритетного запроса из незамаскированных запросов в соответствии с установленным механизмом назначения приоритетов;
• сравнение приоритета выделенного запроса с приоритетом запроса, который в данный момент может обрабатываться в микропроцессоре, формирование сигнала запроса на вход INT микропроцессора в случае, если приоритет нового запроса выше;
• передача в микропроцессор по шине данных типа прерывания, выбранного в процессе арбитража, для запуска соответствующей программы - обработчика прерывания; это действие выполняется по сигналу разрешения прерывания INTA от микропроцессора, который выдается в случае, если прерывания в регистре флагов микропроцессора не замаскированы (IF=1).

Переход к соответствующему обработчику прерывания осуществляется (в реальном режиме работы микропроцессора) посредством таблицы векторов прерываний. Эта таблица (рис. 14.5) 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.

Рис. 14.5. Структура таблицы векторов прерываний

Обращение к элементам таблицы осуществляется по 8-разрядному коду - типу прерывания (табл. 14.1).

Таблица 14.1.
Тип прерывания	Источник прерывания
	Деление на 0
	Пошаговый режим выполнения программы
	Запрос по входу NMI
· · ·
	Запрос по входу IRQ0 (системный таймер)
	Запрос по входу IRQ1 (контроллер клавиатуры)
· · ·
	Отсутствие сегмента в оперативной памяти
· · ·
	Пользовательское прерывание

Различные источники задают тип прерывания по-разному:

• программные прерывания вводят его изнутри процессора или содержат его в номере команды INT n;
• аппаратные маскируемые прерывания вводят его от контроллера приоритетных прерываний по шине данных;
• немаскируемому аппаратному прерыванию назначен тип 2.

Ввод-вывод информации

Любая ЭВМ представляет собой сложную систему, включающую в себя большое количество различных устройств. Связь устройств ЭВМ между собой осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

Интерфейс - это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для передачи информации между компонентами ЭВМ и включающих в себя электронные схемы, линии, шины и сигналы адресов, данных и управления, алгоритмы передачи сигналов и правила интерпретации сигналов устройствами.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами [7]:

• пропускная способность - количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;
• максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс;
• максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами;
• общее число проводов (линий) в интерфейсе;
• информационная ширина интерфейса - число бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс.

К динамическим параметрам интерфейса относится время передачи отдельного слова и блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи.

Разработка систем ввода-вывода требует решения целого ряда проблем, среди которых выделим следующие:

• необходимо обеспечить возможность реализации ЭВМ с переменным составом оборудования, в первую очередь, с различным набором устройств ввода-вывода, с тем, чтобы пользователь мог выбирать конфигурацию машины в соответствии с ее назначением, легко добавлять новые устройства и отключать те, в использовании которых он не нуждается;
• для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования компьютера следует реализовать параллельную во времени работу процессора над вычислительной частью программы и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода;
• необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования ввода-вывода от особенностей того или иного периферийного устройства;
• в ЭВМ должно быть обеспечено автоматическое распознавание и реакция процессора на многообразие ситуаций, возникающих в УВВ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.).

Главным направлением решения указанных проблем является магистрально-модульный способ построения ЭВМ рис. 18.1: все устройства, составляющие компьютер, включая и микропроцессор, организуются в виде модулей, которые соединяются между собой общей магистралью. Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством специальных интерфейсных схем (И_i).

Рис. 18.1. Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ

На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи:

• обеспечение функциональной и электрической совместимости сигналов и протоколов обмена модуля и системной магистрали;
• преобразование внутреннего формата данных модуля в формат данных системной магистрали и обратно;
• обеспечение восприятия единых команд обмена информацией и преобразование их в последовательность внутренних управляющих сигналов.

Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными и по своим возможностям соответствовать универсальным микропроцессорам. Такие схемы принято называть контроллерами.

Контроллеры обладают высокой степенью автономности, что позволяет обеспечить параллельную во времени работу периферийных устройств и выполнение программы обработки данных микропроцессором.

Недостатком магистрально-модульного способа организации ЭВМ является невозможность одновременного взаимодействия более двух модулей, что ставит ограничение на производительность компьютера. Поэтому этот способ, в основном, используется в ЭВМ, к характеристикам которых не предъявляется очень высоких требований, например в персональных ЭВМ.

В ЭВМ используются два основных способа организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами: программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти (ПДП).

Программно-управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора. Например, при пересылке блока данных из периферийного устройства в оперативную память процессор должен выполнить следующую последовательность шагов:

1. сформировать начальный адрес области обмена ОП;
2. занести длину передаваемого массива данных в один из внутренних регистров, который будет играть роль счетчика;
3. выдать команду чтения информации из УВВ; при этом на шину адреса из МП выдается адрес УВВ, на шину управления - сигнал чтения данных из УВВ, а считанные данные заносятся во внутренний регистр МП;
4. выдать команду записи информации в ОП; при этом на шину адреса из МП выдается адрес ячейки оперативной памяти, на шину управления - сигнал записи данных в ОП, а на шину данных выставляются данные из регистра МП, в который они были помещены при чтении из УВВ;
5. модифицировать регистр, содержащий адрес оперативной памяти;
6. уменьшить счетчик длины массива на длину переданных данных;
7. если переданы не все данные, то повторить шаги 3-6, в противном случае закончить обмен.

Как видно, программно-управляемый обмен ведет к нерациональному использованию мощности микропроцессора, который вынужден выполнять большое количество относительно простых операций, приостанавливая работу над основной программой. При этом действия, связанные с обращением к оперативной памяти и к периферийному устройству, обычно требуют удлиненного цикла работы микропроцессора из-за их более медленной по сравнению с микропроцессором работы, что приводит к еще более существенным потерям производительности ЭВМ.

Альтернативой программно-управляемому обмену служит прямой доступ к памяти - способ быстродействующего подключения внешнего устройства, при котором оно обращается к оперативной памяти, не прерывая работы процессора [3]. Такой обмен происходит под управлением отдельного устройства - контроллера прямого доступа к памяти (КПДП).

Структура ЭВМ, имеющей в своем составе КПДП, представлена на рис. 18.2.

Рис. 18.2. Обмен данными в режиме прямого доступа к памяти

Перед началом работы контроллер ПДП необходимо инициализировать: занести начальный адрес области ОП, с которой производится обмен, и длину передаваемого массива данных. В дальнейшем по сигналу запроса прямого доступа контроллер фактически выполняет все те действия, которые обеспечивал микропроцессор при программно-управляемой передаче.

Последовательность действий КПДП при запросе на прямой доступ к памяти со стороны устройства ввода-вывода следующая:

1. Принять запрос на ПДП (сигнал DRQ) от УВВ.
2. Сформировать запрос к МП на захват шин (сигнал HRQ).
3. Принять сигнал от МП (HLDA), подтверждающий факт перевода микропроцессором своих шин в третье состояние.
4. Сформировать сигнал, сообщающий устройству ввода-вывода о начале выполнения циклов прямого доступа к памяти (DACK).
5. Сформировать на шине адреса компьютера адрес ячейки памяти, предназначенной для обмена.
6. Выработать сигналы, обеспечивающие управление обменом (IOR, MW для передачи данных из УВВ в оперативную память и IOW, MR для передачи данных из оперативной памяти в УВВ).
7. Уменьшить значение в счетчике данных на длину переданных данных.
8. Проверить условие окончания сеанса прямого доступа (обнуление счетчика данных или снятие сигнала запроса на ПДП). Если условие окончания не выполнено, то изменить адрес в регистре текущего адреса на длину переданных данных и повторить шаги 5-8.

Прямой доступ к памяти позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы и обмен данными между периферийным устройством и оперативной памятью.

Обычно программно-управляемый обмен используется в ЭВМ для операций ввода-вывода отдельных байт (слов), которые выполняются быстрее, чем при ПДП, так как исключаются потери времени на инициализацию контроллера ПДП, а в качестве основного способа осуществления операций ввода-вывода используют ПДП. Например, в стандартной конфигурации персональной ЭВМ обмен между накопителями на магнитных дисках и оперативной памятью происходит в режиме прямого доступа.

Как отмечалось выше, обычно компьютер строится по магистрально-модульному принципу. При этом все составляющие его устройства объединяются общей шиной, по которой между ними происходит обмен данными, адресами, а также управляющими сигналами. В качестве примера перечислим основные линии, составляющие одну из распространенных системных магистралей - шину ISA:

A0-A23- шина адреса;

D0-D15- двунаправленная шина данных, допускает обмен как байтами, так и словами (2 байта);

CLK- шинный тактовый сигнал, синхронизирует работу процессора, ОП и УВВ;

MR- управляющий сигнал чтения из ОП;

MW- управляющий сигнал записи в ОП;

IOR- управляющий сигнал чтения из УВВ;

IOW- управляющий сигнал записи в УВВ;

IRQ_i- запрос прерывания от i-го источника;

DRQ_i- запрос прямого доступа к памяти по i-му каналу контроллера ПДП;

DACK_i- разрешение прямого доступа к памяти i-му каналу контроллера ПДП;

AEN- сигнал занятости шин обменом в режиме ПДП,

READY- сигнал готовности УВВ к обмену.

Магистраль обеспечивает подключение до семи внешних устройств, работающих в режиме прямого доступа к памяти, и до 11 запросов прерываний от УВВ. Еще четыре запроса прерываний зарезервированы за устройствами, входящими в состав стандартной конфигурации ЭВМ, и на магистраль не выведены.

Хотя шина ISA имеет небольшую информационную ширину и в настоящее время используется для подключения только относительно медленных периферийных устройств, ее состав позволяет в определенной мере проследить взаимосвязь различных рассмотренных ранее устройств, составляющих ЭВМ.

Организация ЭВМ на основе общей шины является сдерживающим фактором для повышения производительности компьютера. Следует отметить, что даже при использовании прямого доступа к памяти процессор полностью не освобождается от управления операциями ввода-вывода. Он обеспечивает инициализацию контроллера ПДП, а также взаимодействует с ним по некоторым управляющим линиям. Более того, во время операции передачи данных интерфейс оказывается занятым, а связь процессора с оперативной памятью - блокированной.

Это существенно сказывается на эффективности работы ЭВМ, особенно в тех случаях, когда в вычислительной системе используется большое количество высокоскоростных внешних устройств. Для решения этой проблемы в состав высокопроизводительных компьютеров иногда включают специализированные процессоры ввода-вывода, способные полностью разгрузить основной процессор от управления операциями обмена с внешними устройствами.