Основные характеристики систем прерывания

XI. СИСТЕМА ПРЕРЫВАНИЙ КОМПЬЮТЕРА.

 

Основные понятия.

Во время выполнения компьютером текущей программы, внутри компьютера, а также во внешней среде, связанной с ним (клавиатура, дисплей, внешняя память, технологические и научно-исследовательские процессы, управляемые компьютером и т.д.) могут возникать события, требующие немедленной реакции на них с его стороны. Реакция компьютера заключается в том, что он прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению некоторой другой программы (подпрограммы, процедуры), специально предназначенной для выполнения требований, запрашиваемых данным событием. Процесс выполнения такой подпрограммы называется обработкой (обслуживанием)данного прерывания, а сама подпрограмма обслуживания прерывания часто называется обработчикомпрерывания.

Итак:

Прерыванием называется процесс, обуславливающий реакцию компьютера на некоторое событие, требующее немедленного его вмешательства.

 

Запрос прерывания – есть сигнал процессору о появлении события, требующего немедленной реакции процессора путем перехода на подпрограмму обслуживания этого события.

 

Системой прерыванияназывается комплекс аппаратных и программных

средств,обеспечивающих выявление запросов прерывания и эффективное их обслуживание.

 

Процесс прерывания схематически иллюстрирован на рис XI.1.

Основными функциями системы прерывания являются следующие.

1. Запоминание состояния процессора, которое определяется состоянием его основных регистров на момент прерывания текущей программы.

2. Осуществление передачи управления на процедуру обслуживания прерывания.

3. Восстановление состояния процессора после окончания выполнения процедуры обслуживания прерывания.

4. Передача управления на продолжение выполнения текущей программы.

Таким образом, после появления запроса прерывания и возможности осуществления самого процесса прерывания, процессор прерывает выполнение текущей программы, автоматически запоминая в стеке адрес возврата (CS и IP), а также содержимое регистра флагов Flags. В стек может, также, передаваться и сохраняться содержимое тех регистров, которые могут понадобиться при исполнении процедуры обслуживания прерывания и, следовательно, могут быть искажены.

Рис.XI.1 Схема процесса прерывания программ.

 

Однако, если содержимое CS, IP (адрес возврата), и Flags записываются в стек автоматически, то для записи в стек содержимого, требующихся при исполнении процедуры обслуживания прерывания регистров, об этом должен позаботиться сам пользователь (процессор ведь не знает, что может потребоваться). Поэтому пользователь должен включить в начале процедуры обслуживания прерывания, команды сохранения в стеке этих регистров, а в конце процедуры – команды восстановления содержимого их, путем считывания из стека.

 

2. Классификация типов прерывания.

Запросы на прерывание могут возникать как внутри самого процессора, так и со стороны внешней среды (периферийных устройств). Поэтому можно выделить сразу же два класса типов прерываний.

1. Внешние прерывания.

2. Внутренние прерывания.

Схематически, источники прерываний программ, применительно к процессорам семейства Х86 иллюстрированы на рис.XI.2.

 

Рис.XI.2 Источники прерываний микропроцессоров семейства Х86.

 

 

Здесь: INTi (Interrupt i) –i-ый источник (тип) запроса прерывания от внешних устройств;

NMI (Nonmaskable Interrupt)– немаскируемое прерывание, т.е. прерывание, которое нельзя замаскировать;

INTR (Interrupt) – общий запрос на прерывание процессора;

INTA (Interrupt Acknowledge) –подтверждение процессором получения запроса прерывания, и готовность принятия кода типа прерывания.

Внешние прерывания

Внешние прерывания относят к так называемым аппаратным прерываниям, поскольку они вызываются аппаратурой, находящейся вне пределов самого компьютера. Внешние прерывания подразделяются на:

а) маскируемые прерывания,

б) немаскируемые прерывания.

 

Маскируемые прерывания.

Маскируемыми– называются такие прерывания, запросы которых могут

быть выключены из зоны внимания процессора, путем наложения маски

на возможные запросы прерываний.

Запросы маскируемых прерываний, в отличие от остальных, поступают на систему прерываний процессора через специальное устройство, называемое контроллером прерываний, который в современных процессорах входит в состав микросхемы «южного моста» Chipset, размещаемой на системной плате компьютера. Основные функции контроллера прерываний заключаются в том, что с его помощью можно:

- вследствие различной важности устройств, которые могут запрашивать прерывания у компьютера, устанавливать запросам прерывания определенный уровень приоритета, при котором очередность их обработки осуществляется строго в порядке присвоенной им приоритетности. Это дает возможность запросу с большим уровнем приоритета прерывать исполнение процедур обслуживания прерывания от устройств с меньшим уровнем приоритета;

- устанавливать определенный порядок обслуживания запросов прерываний одного уровня привилегий, при одновременном их появлении;

- дать возможность пользователю, при необходимости, запрещать компьютеру, реагировать на запросы прерывания внешних устройств, как всех одновременно, так и по отдельности для каждого устройства (т.е. выполнять так называемое маскирование запросов прерывания). Запрещение или разрешение индивидуальных запросов прерываний реализуется при помощи использования в контроллерах прерываний кода маски.

Маскапредставляет собой двоичный код, каждый разряд которого соответствует некоторому запросу прерывания. Обычно устройство маскирования делают таким образом, чтобы логическая единица, записанная в разряд маски, запрещала прохождение соответствующего запроса прерывания к процессору, а логический ноль – разрешала. Иллюстрация процесса маскирования запросов прерывания приведена на рис.XI.3.

 

Рис.X.3 Иллюстрация принципа маскирования запросов прерывания.

 

Заметим при этом, что маскируемые прерывания, все вместе одновременно, могут быть запрещены или разрешены, путем установки или сброса флага IF в регистре флагов процессора, подачей соответствующих команд STI или CLI.

 

 

Немаскируемые прерывания.

Запросы немаскируемых прерываний подаются на специально выделенный вход NMI. Они запрещены быть не могут. Источниками запросов таких прерываний являются, например, устройства контроля пропадания напряжения питания или контроля повреждения каких-либо особо важных систем обработки.

 

Все внешние прерывания асинхронны по отношению к работе процессора, так как они могут появиться в любой момент времени. И, поскольку начало передачи управления на подпрограмму обработки прерывания происходит только после окончания исполнения команды, то время реакции, т.е. запаздывания начала обслуживания по отношению к появлению запроса прерывания, может быть, при выполнении, например, команд умножения или деления, достаточно велико.

 

Внутренние прерывания.

Внутренние прерывания образуются внутри компьютера по запросам его отдельных функциональных узлов, или как следствие выполнения некоторых специальных команд INT N. Внутренние прерывания замаскированы быть не могут. Код типа прерываний такого рода формируется автоматически при поступлении соответствующего запроса внутреннего прерывания.

Внутренние прерывания бывают двух типов:

а) особые случаи или исключения;

б) программные прерывания.

 

Особые случаи или исключения.

Особые случаи или исключения –это прерывания, которые возникают при аномальной ситуации, сложившейся при выполнении конкретной команды и препятствующей нормальному продолжению программы.

 

К прерываниям – особым случаям (исключениям), относятся, например, такие ситуации:

- ошибка деления (частный случай – деление на 0);

- переполнение разрядной сетки после выполнения очередной команды;

- неразрешенный код команды;

- пошаговое прерывание, которое включается при установке в состояние 1 флага TF в регистре флагов Flags. При этом после выполнения каждой команды программы, в стеке автоматически запоминается состояние CS, IP, Flags и выводится на экран дисплея состояние всех регистров процессора и части ячеек ОЗУ. После этого процесс выполнения текущей программы останавливается и ожидается следующий запуск программы для выполнения очередного шага; и т.п.

Программные прерывания.

Под программными прерываниямипонимаются прерывания, инициируемые самой выполняемой программой, а именно, командами типа INT N, где N – номер прерывания в некотором заданном диапазоне.

 

Действие этих прерываний весьма похожи на вызов подпрограмм (процедур), за исключением того, что передача управления осуществляется не по адресу, указываемому в команде CALL, а по номеру (типу) прерывания, по которому в таблице векторов прерывания находится адрес передачи управления. Кроме того, при программном прерывании обязательно автоматически запоминается в стеке состояние регистра флагов Flags. Программные прерывания отличаются от других тем, что они задаются заранее и определены в программе, а не являются случайными по отношению к работе компьютера. Они широко используются при вызове системных функций DOS и BIOS.

Основные характеристики систем прерывания.

К основным характеристикам систем прерывания относятся.

а)Общее количество типов запросов прерывания(входов в систему прерывания).

б) Время реакции –интервал времени между появлением запроса прерывания и началом выполнения действий по обслуживанию прерывания.

в) Издержки прерывания– затраты времени на переключение программ (см. рис.XI.4).

 

 

 

Рис.XI.4 Временная диаграмма процесса прерывания программ.

 

Здесь:t_р – время реакции, интервал времени, требующийся для окончания текущей команды или такта. Оно зависит как от момента появления запроса прерывания, так и от времени выполнения текущей команды. Сюда же входит время обнаружения запроса прерывания.

t_з –время запоминания, интервал времени, требующийся для запоминания состояния прерванной программы, т.е. запоминания состояния регистров CS, IP, Flags. Если требуется запомнить в стеке состояние других регистров процессора, это необходимо предусмотреть самим пользователем в начале самой процедуры обработки прерывания.

t_проц –время выполнения собственнопроцедурыобслуживанияпрерывания.

t_в –время восстановления состояния прерванной программы, интервал требующийся для выборки из стека и восстановления в исходное состояние регистров CS, IP и Flags.

Интервал времени t_з + t_в = t_изд ,т.е. время, затрачиваемое на переключение программ, обычно называютиздержками прерывания.

t_обсл –время обслуживания, интервал времени, требующийся для полного обслуживания данного запроса прерывания.

г) Глубина прерывания –максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга (см. рис.ХI.5).

Если после перехода к процедуре обслуживания прерывания и вплоть до ее окончания прием других запросов запрещается, то говорят, что система прерываний имеет глубину прерывания равную 1. Глубина прерывания равна n, если допускается последовательное прерывание до nпрограмм. Последовательность прерывания программ определяется заданными уровнями их приоритетов. Глубина системы прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритета в системе прерываний.

Рис ХI.5 Иллюстрация работы систем прерывания с различной глубиной

прерывания, (во втором случае наивысший приоритет – у запроса прерывания 3, низший – у запроса прерывания 1).

 

д) Насыщение системы прерываний –насыщением системы прерывания называется ситуация, когда запрос прерывания окажется необслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника (этот случай обозначен пунктиром). В этом случае, предыдущий запрос прерывания от того же источника будет утрачен, что недопустимо. Поэтому быстродействие компьютера, характеристики системы прерывания, число источников прерывания и частота возникновения запросов должны быть согласованы таким образом, чтобы насыщение было невозможным.