Прерывания и особые случаи

Прерывания и особые случаи

Прерывание - это изменение естественного порядка выполнения программы, которое связано с необходимостью реакции системы на работу внешних устройств, а также на ошибки и особые ситуации, возникшие при выполнении программы. При этом вызывается специальная программа - обработчик прерываний, специфическая для каждой возникшей ситуации, после выполнения которой возобновляется работа прерванной программы.

Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.

Классификация прерываний представлена на рис. 7.1.

Запросы аппаратных прерываний возникают асинхронно по отношению к работе микропроцессора и связаны с работой внешних устройств.

Запрос от немаскируемых прерываний поступает на вход NMI микропроцессора и не может быть программно заблокирован. Обычно этот вход используется для запросов прерываний от схем контроля питания или неустранимых ошибок ввода/вывода.

Для запросов маскируемых прерываний используется вход INT микропроцессора. Обработка запроса прерывания по данному входу может быть заблокирована сбросом бита IF в регистре флагов микропроцессора.

Программные прерывания, строго говоря, называются исключениями или особыми случаями. Они связаны с особыми ситуациями, возникающими при выполнении программы (отсутствие страницы в оперативной памяти, нарушение защиты, переполнение), то есть с теми ситуациями, которые программист предвидеть не может, либо с наличием в программе специальной команды INT n, которая используется программистом для вызова функций операционной системы либо BIOS, поддерживающих работу с внешними устройствами. В дальнейшем при обсуждении работы системы прерываний мы будем употреблять единый термин "прерывание" для аппаратных прерываний и исключений, если это не оговорено особо.

Программные прерывания делятся на следующие типы.

Нарушение (отказ) - особый случай, который микропроцессор может обнаружить до возникновения фактической ошибки (например, отсутствие страницы в оперативной памяти); после обработки нарушения программа выполняется с рестарта команды, приведшей к нарушению.

Ловушка - особый случай, который обнаруживается после окончания выполнения команды (например, наличие в программе команды INT n или установленный флаг TF в регистре флагов ). После обработки этого прерывания выполнение программы продолжается со следующей команды.

Авария (выход из процесса) - столь серьезная ошибка, что некоторый контекст программы теряется и ее продолжение невозможно. Причину аварии установить нельзя, поэтому программа снимается с обработки. К авариям относятся аппаратные ошибки, а также несовместимые или недопустимые значения в системных таблицах.

Порядок обработки прерываний

Прерывания и особые случаи распознаются на границах команд, и программист может не заботиться о состоянии внутренних рабочих регистров и устройств конвейера.

Реагируя на запросы прерываний, микропроцессор должен идентифицировать его источник, сохранить минимальный контекст текущей программы и переключиться на специальную программу - обработчик прерывания. После обслуживания прерывания МП возвращается к прерванной программе, и она должна возобновиться так, как будто прерывания не было.

Обработка запросов прерываний состоит из:

Для того чтобы микропроцессор мог идентифицировать источник прерывания и найти обработчик, соответствующий полученному запросу, каждому запросу прерывания присвоен свой номер ( тип прерывания ).

Тип прерывания для программных прерываний вводится изнутри микропроцессора; например, прерывание по отсутствию страницы в памяти имеет тип 14. Для прерываний, вызываемых командой INT n, тип содержится в самой команде. Для маскируемых аппаратных прерываний тип вводится из контроллера приоритетных прерываний по шине данных. Немаскируемому прерыванию назначен тип 2.

Всего микропроцессор различает 256 типов прерываний. Таким образом, все они могут быть закодированы в 1 байте.

"Рефлекторные" действия микропроцессора по обработке запроса прерывания выполняются аппаратными средствами МП и включают в себя:

После этого выполняется программа - обработчик прерывания, соответствующая поступившему запросу. Эта программа пишется и размещается в памяти прикладным или системным программистом. Обработчик прерывания должен завершаться командой I RET, по которой автоматически происходит переход к продолжению выполнения прерванной программы с восстановлением ее контекста.

Для вызова обработчика прерывания микропроцессор при работе в реальном режиме использует таблицу векторов прерываний, а в защищенном режиме - таблицу дескрипторов прерываний.

Таблица векторов прерываний (рис. 7.2) располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит 4байтные элементы ( векторы прерываний ) для 256 обработчиков прерываний. Старшие 2 байта вектора загружаются в сегментный регистр команд CS, а младшие 2 байта - в регистр указателя команд IP. Обращение к элементам таблицы осуществляется по 8-разрядному коду - типу прерывания. Так как таблица всегда имеет нулевой начальный адрес и длину вектора в 4 байта, чтобы определить адрес вектора для прерывания типа i, достаточно просто умножить это значение на 4.

В защищенном режиме для вызова обработчика прерывания используется таблица дескрипторов прерываний IDT. Элементами таблицы являются 8-байтные дескрипторы типа шлюз -пециальные программные структуры, через которые происходит передача управления обработчику.

Обращение к IDT аналогично обращению к глобальной таблице дескрипторов, где вместо системного регистра GDT R используется регистр IDTR, который определяет размер и базовый адрес таблицы в памяти.

Физический адрес дескриптора шлюза, находящегося в IDT, определяется как сумма базового адреса таблицы и умноженного на 8 типа прерывания (рис. 7.3).

Содержимое регистра IDTr не сохраняется в сегментах TSS и не изменяется при переключении задачи. Программы не могут обратиться к IDT, так как единственный бит TI индикатора таблицы в селекторе сегмента обеспечивает выбор только между таблицами GDT и LDT.

Максимальный предел таблицы дескрипторов прерываний составляет 256*8 - 1 = 2047.

Можно определить предел меньшим, но это не рекомендуется. Если происходит обращение к дескриптору вне пределов IDT, процессор переходит в режим отключения до получения сигнала по входу NMI или сброса.

В IDT могут храниться только дескрипторы следующих типов:

Шлюзы ловушки и прерывания сходны со шлюзом вызова, только в них отсутствует поле счетчика WC (рис. 7.4). Так как прерывание является неожиданным событием и не связано с текущей программой, говорить о передаче параметров их обработчику не приходится.

Бит S = 0 в байте доступа определяет этот дескриптор как системный объект. Если поле ТИП в байте доступа равно 1110, то это шлюз прерывания, если 1111 - то шлюз ловушки.

Поле уровня привилегий дескриптора DPL, как правило, устанавливается равным 3 с тем, чтобы к обработчику прерываний могли обращаться программы с любого уровня привилегий.

Бит присутствия P может быть равен как 0, так и 1.

При входе в обработчик через шлюз прерывания в регистре флагов сбрасывается бит разрешения прерываний IF. В этом случае микропроцессор блокирует все маскируемые аппаратные прерывания. Поэтому в обработчике прерываний этот бит должен быть установлен в 1 как можно раньше с тем, чтобы не блокировать работу программ, которые вызываются, например, при обработке прерываний от системного таймера.

При входе в обработчик через шлюз ловушки флаг IF не меняется.

Вызов обработчика через шлюз ловушки, а не шлюз прерывания, чаще реализуют при обработке исключений, так как на период обслуживания прерывания нежелательно выключать механизм разделения времени, использующий прерывания таймера.

Вызов обработчика через шлюз задачи обычно осуществляется при обработке аппаратных прерываний, так как такая обработка не связана с текущей выполняемой задачей. При этом возможен механизм вложенных прерываний, если прерывания в задаче разрешены. Вызов обработчика прерывания через шлюз задачи осуществляется и при обработке исключений, например, "неразрешенный TSS ", когда поврежденная задача не может вызвать процедуру прерывания. Переключение задач требует примерно в 5 раз больше времени, чем вызов процедуры. Поэтому, если приоритет запроса высок, а программа обслуживания короткая, ее оформляют в виде процедуры.

Контроллер приоритетных прерываний

Прерывание - один из наиболее дефицитных ресурсов в микропроцессорной системе. Микропроцессор имеет только 2 входа для приема запросов прерываний: вход INT - по нему принимаются запросы, обработка которых может быть замаскирована сбросом флага IF в регистре флагов, - и вход немаскируемых прерываний NMI. Вход NMI фактически закреплен за запросами прерываний от схем контроля питания. Поэтому при такой архитектуре микропроцессора в микропроцессорной системе обязательно должны использоваться средства, которые позволяют предварительно обрабатывать и передавать на вход маскируемых прерываний INT микропроцессора запросы от многочисленных внешних устройств, входящих в состав микропроцессорной системы. В качестве такой схемы используется контроллер приоритетных прерываний (КПП).

Мы рассмотрим его функционирование на примере БИС i8259, которая, с одной стороны, имеет самостоятельное значение, а с другой стороны, фактически без изменений входит в состав современных чипсетов.

Его структура представлена на рис. 7.5.

Функции контроллера приоритетных прерываний:

При использовании КПП обработка запросов немаскируемых прерывание проходит следующие этапы:

Системная периферия на системной плате или устройство ввода/вывода на внешней шине активирует одну из линий IRQx.(рис 7.5) Структура контроллера приоритетных прерываний

В регистре запросов прерываний IRR, который предварительно настраивается на восприятие запросов по спаду или низкому уровню сигнала, происходит установка соответствующих разрядов в "1".

Незамаскированные в регистре маски IMR запросы передаются в приоритетный арбитр, замаскированные блокируются.

В соответствии с выбранной в процессе инициализации дисциплиной обслуживания приоритетный арбитр выделяет наиболее приоритетный запрос. При системном сбросе контроллера самый высокий приоритет устанавливается для запроса, приходящего по входу IRQ0, а самый низкий - по входу IRQ7.

Приоритет выделенного запроса сравнивается с приоритетом запроса, который в данный момент может обрабатываться микропроцессором (его номер установлен в регистре обслуживания прерываний ISR ). Если приоритет нового запроса выше либо в данный момент обслуживаемых запросов нет, то контроллер формирует сигнал прерывания INT в микропроцессор, в противном случае обработка запроса откладывается. В регистре типа прерывания формируется тип принятого к обработке запроса прерывания.

МП воспринимает запрос прерывания, и если флаг IF = 1, то по завершении текущей команды выполняет 2 цикла подтверждения прерывания, выдавая сигналы на выход INTA:

в 1-м цикле запрещается запись в IRR. В ISR устанавливается разряд, соответствующий принятому к обработке запросу, и сбрасывается разряд в IRR ;

во 2-м цикле тип прерывания передается в МП по разрядам D0D7 шины данных. Разрешается запись в IRR ;

Каскадное включение контроллеров приоритетных прерываний

Для расширения количества запросов прерываний, которые могут быть подключены к микропроцессору, в микропроцессорной системе может быть использовано несколько КПП. Схема каскадного подключения двух контроллеров представлена на рис. 7.6.

К входу INT микропроцессора подключается выход INT ведущего контроллера. Выход INT ведомого контроллера подключается к одному из входов IRQi ведущего КПП на правах других запросов прерываний, поступающих на этот контроллер. В персональной ЭВМ всегда используются два контроллера приоритетных прерываний, причем ведомый КПП подключен к входу IRQ2 ведущего.

На рис. 7.5 было дано схематическое представление контроллера приоритетных прерываний. Для того чтобы лучше понять функционирование контроллеров приоритетных прерываний в реальных микропроцессорных системах и оценить все имеющиеся у них возможности, рассмотрим структуру КПП более подробно.

Регистры КПП делятся на 2 группы: регистры инициализации ICW1-ICW4 и операционные регистры OCW1-OCW3.

Регистры инициализации загружаются при инициализации контроллера и в процессе работы КПП не меняются.

Регистр ICW1 - управление микросхемой:

Регистр ICW2 - регистр типа прерывания. При инициализации в 5 его старших разрядов заносится некоторая константа. В процессе обработки запросов прерываний в 3 младшие разряда этого регистра заносится номер входа IRQi, по которому принят запрос, подлежащий обработке (рис. 7.7):

В персональной ЭВМ в регистр ICW2 ведущего контроллера при инициализации заносится константа 00001b, а в ведомый - константа 01110b. Поэтому типы всех прерываний, запросы от которых поступают через ведущий КПП, лежат в диапазоне 00001000b-00001111b (08h-0Fh), ачерез ведомый - в диапазоне 01110000b-01110111b (70h-77h). Распределение входов прерываний в стандартной конфигурации персональной ЭВМ представлено в табл. 7.1.

Регистр ICW3 - регистр управления ведомым. Имеет различное назначение в ведущем и ведомом КПП. В ведущем КПП устанавливаются единицы в разрядах, соответствующих линиям с подключенными ведомыми КПП. В персональной ЭВМ его значение имеет вид 00000100b. В ведомом КПП пять старших разрядов этого регистра установлены в 0, а в трех младших кодируется номер входа ведущего КПП, к которому подключен данный ведомый. В персональной ЭВМ его значение имеет вид 00000010b.

Регистр ICW4 - регистр управления режимом. Определяет, является данный КПП ведущим или ведомым, тип окончания прерывания, то есть кем должен сбрасываться бит запроса в регистре обслуживания прерывания ISR, и другие параметры работы.

Так как для КПП определено только 2 допустимых состояния (ведущий или ведомый), максимальная конфигурация контроллеров приоритетных прерываний состоит из 1 ведущего и 8 ведомых КПП. Это обеспечивает возможность подключения к входу INT микропроцессора до 64 запросов прерываний.

Содержимое операционных регистров изменяется в процессе работы КПП записью в них новой информации.

Регистр OCW1 ( IMR ) - регистр маски прерывания. Код 1 в разряде i запрещает, а код 0 - разрешает обработку запроса прерывания по входу IRQi.

Регистр OCW2 - определяет один из трех возможных порядков изменения приоритетов запросов прерываний:

В персональной ЭВМ установлено постоянство приоритетов запросов прерываний, при этом запрос IRQ0 имеет самый высокий приоритет.

Так как здесь используются два каскадно включенных контроллера (см.рис. 7.6), приоритеты запросов прерываний IRQi имеют вид, представленный на рис. 7.8.

Регистр OCW3 - управляет переводом контроллера в режим неприоритетного обслуживания и считыванием содержимого регистра запросов IRR и регистра обслуживания ISR. В режиме неприоритетного обслуживания микропроцессор получает от КПП только сигнал запроса прерывания, после чего микропроцессор должен программно считать содержимое регистров IRR и ISR и по своим алгоритмам определить, какой из имеющихся запросов прерываний принять к обслуживанию.

Краткие итоги. В лекции рассмотрена классификация прерываний, порядок обработки прерываний в реальном и защищенном режимах работы микропроцессора, структура и функционирование контроллера приоритетных прерываний.