Проектирование механизма обработки прерываний

Обработка прерывания

Рассмотрим более детально роль процессора в обработке прерывания ввода вывода. Появление сигнала запроса прерывания запускает несколько процессов, часть которых реализуется аппаратными средствами, а часть — программными. В Приложении рис.1 представлен типичный алгоритм обработки прерывания. После завершения модулем ввода-вывода заданной операции на аппаратном уровне выполняются следующие действия:

1. Модуль ввода-вывода формирует сигнал запроса прерывания, который предназначается процессору.

2. Процессор завершает выполнение текущей команды программы, прежде чем анализировать наличие сигнала запроса прерывания.

3. Процессор анализирует, не поступил ли сигнал запроса прерывания, обнаруживает его и посылает сигнал подтверждения тому модулю, который сформировал сигнал запроса. Получив сигнал подтверждения, модуль, инициировавший прерывание, снимает соответствующий сигнал с линии управления магистрали,

4. Процессор выполняет действия, предшествующие передаче управления по программе обработки прерывания. Прежде всего нужно позаботиться о сохранении текущего состояния процессора, что позволит в дальнейшем возобновить выполнение прерванной программы с той же точки. Здесь нужно обратить внимание на то, что в этот момент в счетчике команд процессора находится адрес команды, которая должна была бы выполняться процессором, если бы не произошло прерывание. Эту команду (а точнее, ее адрес) принято называть точкой прерывания, и она же является точкой возврата из прерывания. Поэтому процессор должен каким-то образом сохранить состояние счетчика команд, регистра состояния, который содержит слово состояния процессора PSW (processor status word). Как правило, эта информация помещается в системный стек.

5. Затем процессор загружает в счетчик команд начальный адрес программы (подпрограммы) обработки прерывания. В разных компьютерах и разных операционных системах эта операция выполняется по-разному. В одних — каждый источник прерывания (модуль ввода-вывода, вызвавший прерывание) имеет свою подпрограмму обработки, в других — прерывания разбиты на группы и каждая группа имеет свою программу обработки, а в третьих — вообще существует одна программа обработки всех прерываний, внутри которой происходит ветвление в соответствии с конкретным источником прерывания. Если архитектура системы предусматривает наличие множества подпрограмм обработки прерываний, то информацию о том, какую именно подпрограмму нужно вызывать в каждом конкретном случае, процессор должен получать вместе с самим сигналом запроса прерывания. Другой вариант процессор получает ее от устройства, инициировавшего прерывание, в ответ на сигнал подтверждения. Как только в счетчик команд будет помещен адрес подпрограммы, процессор начнет новый цикл выполнения команды. Первой фазой цикла будет извлечение команды, адрес которой находится в счетчике. В результате процессор приступит к выполнению заданной подпрограммы обработки прерывания. Что именно будет при этом сделано, определяет программист, который разработал подпрограмму.

6. Перед передачей управления подпрограмме обработки прерывания процессор аппаратными средствами выполнил сохранение счетчика команд и PSW в системном стеке. Но помимо этой информации для возобновления прерванной программы может потребоваться и восстановление состояния других регистров процессора. Поэтому, как правило, первые команды подпрограммы обработки сохраняют в стеке состояния всех остальных регистров процессора, поскольку они могут понадобиться самой подпрограмме и, следовательно, их содержимое к моменту завершения подпрограммы будет изменено. В Приложении рис.2 (а) показано, что при этом происходит. В данном случае пользовательская программа была прервана в тот момент, когда выполняла команду, хранящуюся по адресу N. Аппаратно в стек помещается содержимое счетчика команд, каким оно было в момент завершения выполнения этой команды — N+1, а в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработкиY. Сама подпрограмма затем помещает в стек содержимое регистров процессора, в результате чего указатель стека смещается и после завершения сохранения регистров будет указывать на ячейку Т.

7. После этого подпрограмма приступает к собственно обработке прерывания Этот процесс, как правило, включает анализ состояния модуля ввода-вывода, вызвавшего прерывание, и прием или передачу порции данных Иногда в процессе обработки модулю посылаются другие команды или сообщения, в частности команды запуска следующего сеанса обмена, если передается большой блок данных.

8. После завершения обработки подпрограмма восстанавливает содержимое в регистрах, которое было сохранено в стеке в самом начале выполнения подпрограммы (Приложение рис.2 (б)), и только после этого выполняет последнюю команду — команду возврата из прерывания.

9. Выполнение команды возврата из прерывания сводится к восстановление из стека слова состояния программы PSW и счетчика команд. В результате состояние регистров процессора полностью восстанавливается в том виде, каким оно было в момент обнаружения прерывания.

Обращаю ваше внимание на то, что очень важно перед началом обработки прерывания сохранить всю информацию, необходимую для продолжения выполнения прерванной программы. Прерывание может возникнуть в любой момент, и подпрограмме обработки прерывания абсолютно неизвестно, какую именно программу она прервала, какие регистры процессора эта программа использовала, а какие нет. Надежное функционирование вычислительной системы, имеющей дело с прерываниями, может быть гарантировано только, если аппаратными и программными средствами предусмотрено полное сохранение состояния системы в момент прерывания и последуют — его восстановление.

Проектирование механизма обработки прерываний

При проектировании механизма обработки прерываний в конкретной вычислительной системе нужно решить два важных вопроса: как передать процессору информацию об источнике прерывания и как должен поступить процессор в случае, если одновременно возникают прерывания от нескольких источников.

Сначала рассмотрим проблему идентификации источника прерывания, в практике проектирования компьютерных систем применяется четыре варианта решения:

• включение в состав системной магистрали нескольких линий передачи сигналов прерывания;

• программный опрос;

• последовательное включение источников в цепь распространения сигнала предоставления прерывания (аппаратный опрос);

• арбитраж магистрали.