Машинно-независимый Ассемблер RTL и Ассемблер Intel 80x86. Внешние устройства и прерывания. Виртуальная память и поддержка параллельных задач

Внешние устройства и аппаратные прерывания

Согласно рассмотренному ранее алгоритму работы компьютера, процессор в любой момент времени выполняет команду, адрес которой находится в регистре PC. После чтения команды из оперативной памяти содержимое PC увеличивается на длину прочитанной команды. Затем команда выполняется, читается следующая команда, и все это повторяется в бесконечном цикле. Однако предусмотрена возможность нарушения этого бесконечного цикла. Она продиктована необходимостью реагировать на события, связанные с внешними устройствами компьютера.

Например, рассмотрим ситуацию, когда нажата клавиша на клавиатуре компьютера. Процессор должен временно прервать выполнение текущей задачи и отреагировать на нажатие клавиши. Затем он, возможно, возобновит выполнение прерванной задачи. Прерывание от клавиатуры относится к классу так называемых аппаратных, или асинхронных, прерываний. Бывают также и синхронные прерывания, которые происходят не в результате внешних событий, а при выполнении команд процессора. Например, синхронное прерывание происходит при попытке выполнить деление на ноль.

Инициатором аппаратного прерывания всегда является какое-либо внешнее устройство. Все внешние устройства подключены к компьютеру параллельно с помощью шины. Шина представляет собой, попросту говоря, набор проводов, соединяющих различные компоненты компьютера. Порядок обмена данными по шине определяется протоколом работы шины. В частности, шина содержит несколько линий, отвечающих за аппаратные прерывания. Когда внешнее устройство определяет наступление некоторого события, требующего немедленной обработки, оно выставляет на шине сигнал аппаратного прерывания. Как правило, это сигнал о наличии прерывания плюс идентификатор прерывания, т.е. целое число, которое устанавливается в виде двоичного кода на соответствующих линиях шины. Процессор по идентификатору прерывания определяет, с каким внешним устройством связано данное прерывание.

Получив по шине сигнал прерывания, процессор прерывает текущую работу и переключается на обработку прерывания. Текущее состояние процессора запоминается в аппаратном стеке. (Состояние процессора определяется набором его самых важных регистров, включающим, например, регистр PC и регистр флагов; конкретный набор запоминаемых в стеке регистров зависит от конструкции процессора.) Затем процессор переходит к выполнению специальной программы-обработчика прерывания. Эта программа определяется по номеру прерывания, выставленному внешним устройством на шине.

Во время выполнения обработчика прерывания другие прерывания запрещены. Программа обработки прерывания должна быть короткой и быстрой, чтобы по возможности не нарушить нормальную работу компьютера. Так, программа обработки прерывания от клавиатуры должна прочесть код нажатой или отпущенной клавиши, для этого процессор читает данные из портов ввода-вывода, соответствующих клавиатуре. (Чтение и запись в порты ввода-вывода также производятся через шину.) Затем команда, соответствующая нажатой или отпущенной клавише, ставится в очередь запросов к драйверу клавиатуры. На этом программа-обработчик прерывания от клавиатуры завершает свою работу. По завершению обработчика прерывания процессор восстанавливает свое состояние, которое было ранее запомнено в аппаратном стеке. После восстановления процессор продолжает работу с того места, на котором она была прервана.

Реально клавиатурная команда будет обработана, когда до нее дойдет черед, т.е. только после выполнения всех команд, поступивших от клавиатуры ранее и сохраненных в очереди клавиатурного драйвера, а также поступивших ранее команд от других внешних устройств.