Программные прерывания

СИСТЕМА ПРЕРЫВАНИЙ

Принципы организации системы прерываний

Организация IBM PC XT/AT и совместимых с ними РС, реализованных на базе МП Intel 80x86, основывается на открытой архитектуре, в основу которой положен принцип развитой иерархической системы прерываний базового микропроцессора. Это качество позволяет обеспечить гибкий механизм доступа к ресурсам РС системных и пользовательских программ. В системах, построенных на базе Intel 80x86, прерывания могут генерироваться собственно микропроцессором, аппаратурой, входящей в состав РС, а также программой.

На рис. 7.1 изображена общая структура системы прерываний PC/AT.

Рис. 7.1. Общая структура системы прерываний PC/AT

Прерывания и исключительные ситуации изменяют нормальный ход выполнения программы для того, чтобы обработать события, нарушающие ее обычный ход, выдать сообщение об ошибках или условиях исключительных ситуаций.

Прерывания возникают либо из-за асинхронных по отношению к программе внешних событий, о которых поступают сообщения по специально выделенным каналам контроллеров прерываний, либо из-за синхронных событий, генерируемых программой при помощи команд типа INTn. Первые называются аппаратными прерываниями, а вторые - программными.

Разница между прерываниями и исключительными ситуациями состоит в различии их назначения в системе прерываний. Прерывания используются для обработки аппаратных и программных событий, так или иначе связанных с различными ресурсами РС, а исключительные ситуации предназначены для обработки ошибок, возникающих в процессе выполнения собственно команды МП и препятствующих выполнению как текущей, так и последующей команды.

При этом следует учитывать, что с точки зрения архитектуры собственно МП программное прерывание также является исключительной ситуацией и отрабатывается им аналогично. Но с точки зрения организации системы прерываний программное прерывание является самостоятельным средством, при помощи которого пользователь получает возможность доступа к системным и пользовательским ресурсам.

Прерывания передают управление в новое место программы, определяемое из таблицы векторов прерываний. Старый адрес программы (CS:IP) и состояние машины (флажки) сохраняются в стеке для создания возможности возобновления программы.

Аппаратные прерывания

Одна из важнейших концепций в вычислительной технике - это идея аппаратных прерываний. Аппаратные прерывания оптимизируют системную производительность, поскольку внешние устройства запрашивают ресурсы процессора только по мере необходимости их обслуживания. Если бы в системе не было аппаратных прерываний, процессору пришлось бы периодически опрашивать все устройства в системе, чтобы проверить, не нуждается ли в обслуживании какое-либо из этих устройств.

Что касается организации аппаратных прерываний в архитектуре IBM PC/AT, то они разбиты на два подкласса с точки зрения возможности программного маскирования запроса на прерывание непосредственно в микропроцессоре: маскируемые и немаскируемые. При этом предусматривается шестнадцать линий подключения внешних маскируемых источников прерываний, обозначаемых IRQ0-IRQ15. Они распределены между двумя контроллерами прерываний, объединенных в подсистему. Одна из линий служит для каскадирования контроллеров и никаких других системных функций выполнять не может. Выход подсистемы контроллеров прерываний соединен со входом INTR микропроцессора.

Запросы немаскируемых прерываний поступают на специальный вход NMI микропроцессора и имеют высший по отношению к маскируемым прерываниям приоритет обслуживания. Следует помнить, что условия запроса немаскируемого прерывания (ошибки паритета основной и дополнительных подсистем оперативной памяти) могут маскироваться при помощи системного порта 70h.

Уровни маскируемых прерываний IBM PC/АТ распределяются по приоритету от IRQ0 (высший) до IRQ7 (низший).

Ниже приведен список аппаратных прерываний, расположенных в порядке убывания приоритета обслуживания в базовой конфигурации PC/AT.

Примечание. Уровень IRQ9 обеспечивает потенциальную возможность использовать прерывание от видеоадаптера для ускорения выполнения операции перемещения изображения (скроллинг) и обеспечивает совместимость для этой операции по уровню IRQ2 в PC/XT.

Для разрешения приоритетных конфликтов и управления маскированием в IBM PC/АТ используется программируемый контроллер прерываний (PIC) 8259А. Процессор 8088 может обрабатывать одновременно только одно прерывание, поэтому PIC 8259 оценивает каждый запрос и "решает", следует ли передавать прерывание на процессор. Если PIC 8259 получает запрос более высокого приоритета, выполняемая сервисная программа может быть прервана. В базовой конфигурации PC/АТ системный таймер может прервать работу дискового контроллера, но не наоборот.

Когда имеется запрос прерывания и прерывания разрешены, 80286/80386 входит в машинный цикл подтверждения прерывания. Машинный цикл подтверждения прерывания "проталкивает" регистр флажков в стек (аналогично команде PUSHF). Затем сбрасывается флажок IF, запрещающий прерывания. После этого в стек "проталкивается" содержимое регистра кодового сегмента (CS) и указателя команды (IP). (Таким образом, стек сохраняет состояние флажков и местоположение точки возврата к программе после прерывания, которые затем используются при возвращении из программы-обработчика). 8259A готов передать управление для выполнения обработки прерывания соответствующей сервисной программе. Это выполняется в течение последовательности из двух импульсов INTA, выдаваемых процессором 80286/80386. Первый импульс INTA используется только для извещения 8259A об удовлетворенном запросе и позволяет подготовиться соответствующему контроллеру к передаче необходимой информации. Второй импульс INTA заставляет 8259A поместить на шину Х байт указателя типа прерывания. Этот байт не используется в качестве прямого адреса таблицы векторов прерываний, а относится к одному из 256 "типов" прерываний, поддерживаемых 80286/80386.

Когда 80286/80386 получает байт указателя типа прерывания от 8259A, его значение умножается на четыре, чтобы получить адрес входа в таблицу прерываний. Например, если байт указателя типа прерывания указывает тип 128 (80H), то соответствующий адрес, выдаваемый 80286/80386, составляет 4 ´ 80H = 200H. После этого выполнение программы направляется к сервисной программе, адрес которой задан кодовым сегментом и указателем команды для типа 128 по адресу 200H в таблице векторов прерываний.

Приоритет прерываний

Когда одновременно приходят запросы на выполнение нескольких прерываний, они обслуживаются в строго определенной последовательности, приведенной в табл. 7.1 для МП 80286 и в табл. 7.2 для МП 80386. Выполнение прерывания включает в себя сохранение в стеке флажков, адреса возврата (CS:IP) и настройку CS:IP на первую команду программы обработки прерывания. Если в это время произойдет разрешение другого прерывания, оно будет выполнено перед тем, как начнет выполняться первая команда программы обработки текущего прерывания. Следовательно, в этом случае последнее прерывание будет обслужено первым.

Табл. 7.1. Приоритет обработки внутренних прерываний в МП 80286

Табл. 7.2. Приоритет обработки внутренних прерываний в МП 80386

* См. параграф "Прерывание 1 - исключительная ситуация отладки".

7.1.3. Таблица векторов прерываний ¦

Прерывания передают управление в новое место программы, определяемое из таблицы векторов прерываний. Старый адрес программы (CS:IP) и состояние МП (флажки) сохраняются в стеке для создания возможности возобновления выполнения программы после обработки прерывания.

Для каждого прерывания выделяется свой уникальный номер в пределах 00-FFh. Каждый номер прерывания связан с одним вектором, представляющим собой двойное слово, которое является адресом входа в программу-обработчик, связанную с этим вектором. Векторы прерываний размещаются в таблице, находящейся в оперативной памяти, начиная с адреса 0000:0. Например, вектор для прерывания INT 00h находится в ячейке 0000:0h, а вектор для прерывания INT 01h - в ячейке 0000:4h. Каждая программа обслуживания прерывания ассоциируется с конкретным входом в таблицу векторов прерываний.

Таблица указателей векторов прерываний содержит до 256 точек, определяющих входы непосредственно в программы обработки прерываний соответствующих номеров.

Прерывания от 0 до 31 зарезервированы для семейства микропроцессоров фирмы Intel, однако это ограничение относится только к защищенному режиму МП. Остальные 224 прерывания могут быть использованы системным программистом. При каждой процедуре прерывания, чтобы указать соответствующий вход в таблицу векторов, микропроцессор выдает 8-разрядный указатель.

В случае исключительных ситуаций этот указатель генерируется самим микропроцессором. Команды INT содержат непосредственно в себе или неявно указатели, которые позволяют иметь доступ ко всем 256 прерываниям. Аппаратные маскируемые прерывания используют 8-разрядные указатели, которые генерируются микропроцессором на основе указателя типа прерывания, получаемого из подсистемы контроллеров прерываний во время последовательности подтверждения прерывания. Немаскируемые аппаратные прерывания используют фиксированное архитектурой микропроцессора определение указателя.

Когда загружается операционная система, она инициализирует векторы, определяющие все ее функции. Пользователь, вызывающий программы BIOS, также может использовать и инициализировать необходимые векторы прерываний. Подробнее см. в разделе " Базовая система ввода-вывода (BIOS)". Вектор прерывания указывает на вход в программу обслуживания прерывания. В реальном режиме вектор - это 4-байтовая последовательность: сегмент кодов + 16-разрядное смещение. В защищенном режиме – это 8-байтовая последовательность, которая помещена в таблицу дескрипторов прерываний.

Все положения относительно прерываний в основном совпадают для МП 80286 и МП 80386. Те незначительные изменения, которые были внесены при переходе на МП 80386, отмечены особо.

В связи с введением страничного режима адресации в защищенном режиме МП 80386 добавляется исключительная ситуация 14.

В табл. 7.3 приведено распределение векторов прерываний для микропроцессоров 80286/80386.

Табл. 7.3. Распределение векторов прерываний в архитектуре МП 80286/80386

* В архитектуре PC/AT не реализовано.

Программные прерывания

Программные прерывания в отличие от аппаратных прерываний не привязаны к конкретным аппаратным ресурсам и иногда рассматриваются системными программистами как вызовы подпрограмм. Следует отметить, что концепция программного прерывания значительно "моложе" концепции аппаратного прерывания и возникла в микрокомпьютерах с появлением i8080 и его команды RESTART.

Программные прерывания включают в себя три уровня: BIOS-прерывания, DOS-прерывания и пользовательские прерывания. Одно из главных назначений BIOS-прерываний - обеспечение корректного (с точки зрения совместимости) доступа к аппаратуре со стороны операционной системы и пользовательской программы. Однако из-за недостаточной функциональной полноты и жестких требований к времени реакции программы многие программы манипулируют аппаратурой непосредственно. Такие программы могут быть неработоспособны на некоторых IBM-совместимых компьютерах.

Роль DOS-прерывания заключается в обеспечении доступа пользовательских программ к системным ресурсам. Большинство корректно разработанных программ использует интерфейс DOS-прерываний при работе с системной аппаратурой.

Пользовательские прерывания - это такие прерывания, которые нужны пользователю для создания собственных обработчиков прерываний и не используют никакие из существующих векторов прерываний DOS за исключением официально разрешенных: с INT 60 по INT 67. Иногда для этих целей используют прерывания, зарезервированные для BASIC.

По-видимому, наиболее удачным примером для представления взаимосвязи различных уровней системы прерываний может служить клавиатура PC/AT.

Клавиатуру обслуживают прерывания трех типов: аппаратное прерывание, BIOS-прерывание и DOS-прерывание.

Например: DOS-прерывание (INT 21, функция 01h), выполняющее процедуру считывания символа с клавиатуры и вывод его на какое-либо выходное устройство, будет использовать BIOS-прерывание INT 16 для интерфейса с буфером клавиатуры. Обработчик прерывания INT 16 работает с теми же ячейками памяти, что и аппаратное прерывание от буфера клавиатуры (09h).

Когда нажимается клавиша клавиатуры, вырабатывается прерывание 09h. Обработчик этого прерывания (INT 09) помещает принятый код сканирования символа и его преобразованный в код ASCII образ (исключение составляют управляющие символы) в текущую строку символов клавиатуры в разделяемой буферной области памяти (буфер клавиатуры) объемом в 16 слов; обработчик INT 16 сканирует буферную область и, обнаружив полученную строку, выделяет последний полученный символ вместе с его образом и передает его операционной системе.