Лекция№12

Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i 80 x 86.

Работа системы прерываний в реальном режиме

Вопросы

1. Понятие прерывания

2. Классификация прерываний

3. Система прерываний.

· Аппаратные средства

· Программные средства системы прерываний

· Таблица векторов прерываний

4. Обработка прерывания в реальном режиме

Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы.

Т.е. это процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возвратом к прерванной программе.

Нажимая клавишу на клавиатуре, мы инициируем немедленный вызов программы, которая распознает клавишу, заносит ее код в буфер клавиатуры, из которого он считывается другой программой. Т.е. на некоторое время микропроцессор прерывает выполнение текущей программы и переключается на программу обработки прерывания, так наз. обработчик прерывания . После того, как обработчик прерывания завершит свою работу, прерванная программа продолжит выполнение с точки, где было приостановлено ее выполнение.

Адрес программы-обработчика прерывания вычисляется по таблице векторов прерываний.

Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне.

Классификация прерываний

В зависимости от источника, прерывания делятся на

· аппаратные - возникают как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства (клавиатура, системные часы, клавиатура, жесткий диск и т.д.), по времени возникновения эти прерывания асинхронны, т.е. происходят в случайные моменты времени;

· программные - вызываются искусственно с помощью соответствующей команды из программы (int ), предназначены для выполнения некоторых действий операционной системы, являются синхронными;

· исключения - являются реакцией микропроцессора на нестандартную ситуацию, возникшую внутри микропроцессора во время выполнения некоторой команды программы (деление на ноль, прерывание по флагу TF (трассировка)).

Общая классификация прерываний

· внешние - вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями

(по существу - это группа аппаратных прерываний) Вложенных прерываний нет!

· внутренние - возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса (по существу - это исключительные ситуации и программные прерывания).

Внешние прерывания возникают по сигналу какого-нибудь внешнего устройства.

Внешние прерывания подразделяются на не­маскируемые и маскируемые.

В связи с тем, что существуют два специальных внешних сигнала среди входных сигналов процес­сора, при помощи которых можно прервать выполнение текущей программы и тем самым переключить работу центрального процессора. Это сигналы NMI (no mask interrupt , немаскируемое прерывание) и INTR (interrupt request , запрос на прерывание).

Маскируемые прерывания генерируются контроллером прерываний по заявке определенных периферийных устройств. Контроллер прерываний (выполнен в виде специальной микросхемы i8259A) поддерживает восемь уровней (линий) приоритета; к каждому уровню “привязано” одно периферийное устройство. Именно маскируемые прерывания часто называют аппаратными прерываниями .

В ПК, начиная с IBM PC AT, построенных на базе микропроцессора i80286, используются два контроллера прерываний i8259A; они соединяются последователь­но каскадным образом, что увеличивает количество внешних источников прерываний до 15 (каждая по 8).

Обратим внимание . Микросхема i 8259А является программируемой.

Немаскируемые прерывания (говорят, что оно одно, т.к. подается на вывод микропроцессора NMI ) инициируют источники, требующие безотлагательного вмешательства со стороны микропроцессора.

!

В реальном и защищенном режиме работы микропроцессора обработка прерываний осуществляется принципиально разными методами.

Система прерываний. Аппаратные и программные средства системы прерываний

Система прерываний - это совокупность программных и аппаратных средств, реализующих механизм прерываний.

К аппаратным средствам системы прерываний относятся:

· выводы микропроцессора - на них формируются сигналы, извещающие микропроцессор либо о том, что некоторое внешнее устройство «проситуделить ему внимание» (INTR) , либо о том, что требуется безотлагательная обработка некоторого события или катастрофическая ошибка (NMI)

· INTR - вывод для входного сигнала запроса на прерывание ,

· NMI - вывод для входного сигнала немаскируемого прерывания

· INTA - вывод для выходного сигнала подтверждения получения сигнала прерывания микропроцессором (этот сигнал поступает на одноименный вход микросхемы конроллера 8259А;

· программируемый контроллер прерываний 8259А (предназначен для фиксирования сигналов прерываний от восьми различных внешних устройств; он выполнен в виде микросхемы; обычно используют две последовательно соединенные микросхемы, поэтому кол-во возможных источников внешних прерываний до 15 плюс одно немаскируемое прер.; именно он формирует номер вектора прерывания и выдает его шину данных);

· внешние устройства (таймер, клавиатура, магнитные диски и т.п.)

К программным средствам системы прерываний Реального режима относятся:

· таблица векторов прерываний .

Занимает первый килобайт ОП (адреса 00000 h-003FFh) .

Она содержит адреса (векторы - «векторы», т.к. два значения для указания адреса) обработчиков прерываний и состоит из 256 (0..255) элементов по 4 байта каждый:

2 байта - новое значение для регистра IP

2 байта - новое значение для регистра CS .

Расположение таблицы векторов прерываний в процессорах i80286 и старше определяется значением регистра IDTR .

Таблица векторов прерываний инициализируется при запуске системы, но в принципе может быть изменена и перемещена.

Каждый вектор имеет свой номер и называется номером прерывания.

· два флага в регистре флагов flags/eflags :

· IF (Interrupt Flag) - флаг прерывания. Предназначен для маскирования (запрещения) аппаратных прерываний. Если IF=1 , микропроцессор обрабатывает внешние прерывания, если = 0, то игнорирует;

· TF(Trace Flag) - флаг трассировки. Если он=1, то микропроцессор переходит в режим покомандной работы. В этом режиме в микропроцессоре генерируется внутреннее прерывание с номером 1;

· машинные команды микропроцессора: int, into (прерывание по переполнению) , iret, cli, sti

Обработка прерывания в реальном режиме

производится в три этапа:

1) прекращение выполнения текущей программы;

Должно произойти так, чтобы потом вернуться и продолжить работу. Для этого необходимо сохранить содержимое регистров, так как они являются ресурсами, разделяемыми между программами.

Обязательными для сохранения являются регистры cs, ip, flags (пара CS:IP содержит адрес команды, с которой необходимо начать выполнение после возврата, flags - состояние флагов после выполнения последней команды прерванной программы).

!!! Эти регистры сохраняются микропроцессором автоматически. Сохранение остальных регистров - должно обеспечиваться программистом!!!

Наиболее удобным местом хранения регистров является стек.

После сохранения регистров в стеке микропроцессор сбрасывает бит флага IF (т.е.=0)(!!! В стеке при этом записан регистр flags с еще установленным IF !!!)Этим предотвращается возможность возникновения вложенных внешних прерываний и порча регистров исходной программы вследствие неконтролируемых действий со стороны программы - обработчика вложенного прерывания. После того как необходимые действия по сохранению контекста завершены, обработчик аппаратного прерывания может разрешить вложенные прерывания командой sti .

2) переход к выполнению и выполнение программы обработки прерывания;

Здесь определяется источник прерывания и вызывается соответствующий обработчик прерывания.

В реальном режиме микропроцессора допускается 256 источников - по кол-ву элементов таблицы векторов прерываний.

Структура элемента:

· 2 байта - значение смещения начала программы-обработчика прерывания от начала кодового сегмента

· 2 байта - значение базового адреса сегмента, в котором находится программа-обработчик.

Как определить адрес, по которому находится вектор прерывания с номером N ?

смещение эл-та таблицы векторов прерываний= N * 4

Полный размер таблицы?4*256=1024

Итак на втором этапе микропроцессор

1. По номеру источника прерывания определяет смещение в таблице векторов прерываний

2. Помещает первые два байта в регистр IP

3. Помещает вторые два байта в регистр CS

4. Передыет управление по адресу CS:IP

(Она тоже может быть прервана поступлением запроса от более приоритетного источника. Все источники прерывания имеют приоритеты.)

3) возврат управления прерванной программе.

Необходимо привести стек в состояние, в котором он был сразу после передачи управления данной процедуре. Для этого программист должен указать необходимые действия по восстановлению регистров и очистке стека. !! Этот участок необходимо защитить от возможного искажения содержимого регистров (в результате появления аппаратного прерывания) с помощью команды cli .

Последние команды в в обработчике прерывания - sti, iret

sti - разрешить аппаратные прерывания (устанавливает флаг IF=1 , не имеет операндов) .

iret - извлечь последовательно три слова из стека и поместить их соответственно в регистры ip, cs, flags.

Вектор прерывания

Вектором прерывания называют электрический сигнал, посылаемый на шины процессора. По вектору прерывания можно определить всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный адрес. Каждому уровню прерывания соответствует свой вектор прерывания. Векторы прерывания обычно находятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти.

Таблица векторов прерываний

Процедура организации перехода к прерывающей программе выделяет из всех выставленных запросов тот, который имеет наибольший приоритет, выполняет передачу текущего состояния прерываемой программы из регистров процессора в стек, загружает в регистры процессора вектор прерывания и передает управление прерывающей программе.

Организация вложенных прерываний

Возможна ситуация, когда в момент обработки первого прерывания приходит запрос на еще одно прерывание.

При наличии нескольких источников запросов прерываний должен быть установлен определенный порядок в обслуживании поступающих запросов.

В системе установлены приоритетные соотношения между запросами прерываний.

Приоритетные соотношения определяют, какой из нескольких поступивших запросов подлежит обработке в первую очередь, и устанавливают, имеет или не имеет право данный запрос прерывать ту или иную программу.

Например, запрос на прерывание от таймера всегда приоритетнее запроса от любого внешнего устройства, а программы пользователя имеют самый низкий приоритет и могут быть прерваны чем угодно.

Существует понятие глубины прерывания - это максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Если после перехода к прерывающей программе и вплоть до ее окончания прием других запросов запрещается, то говорят, что система имеет глубину прерывания, равную 1. Глубина равна n, если допускается последовательное прерывание до n программ. Системы с большим значением глубины прерывания обеспечивают более быструю реакцию на срочные запросы.

Различают использование абсолютных и относительных приоритетов.

Схема с абсолютными приоритетами:

Поступивший запрос с более высоким приоритетом, чем обрабатывающийся сейчас, прерывает выполняемую программу.

Схема с относительными приоритетами:

Поступивший запрос является первым кандидатом на обслуживание после завершения выполнения текущей программы. Даже если его приоритет выше, все равно выполняющаяся программа должна завершиться.

Если наиболее приоритетный из выставленных запросов прерывания не превосходит по уровню приоритета выполняемую процессором программу, то запрос прерывания игнорируется или его обслуживание откладывается до завершения выполнения текущей программы.

Прерывание (interrupt) – событие, требующие немедленной реакции со стороны процессора. Реакция состоит в том, что процессор прерывает обработку текущей программы (прерываемой программы ) и переходит к выполнению некоторой другой программы (прерывающей программы ), специально предназначенной для данного события. По завершении этой программы процессор возвращается к выполнению прерванной программы.

Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом прерывания , оповещающим об этом вычислительную машину, и называемым запросом прерывания .

Состояние программы представляет собой совокупность состояний всех запоминающих элементов в соответствующий момент времени (например, после выполнения последней команды). При возникновении прерывания микроконтроллер сохраняет в стеке содержимое счетчика команд и загружает в него адрес соответствующего вектора прерывания. Последней командой подпрограммы обработки прерывания должна быть команда, которая осуществляет возврат в основную программу и восстановление предварительно сохраненного счетчика команд. Во время выполнения обработчика прерывания некоторая информация может подвергнуться изменению. Поэтому при переходе к обработчику прерывания необходимо сохранить элементы, подвергающиеся изменению. Набор таких элементов представляет собой вектор состояния программы . При этом другая информация о состоянии ячеек памяти не существенна или может быть восстановлена программным путем.

Вектор начального состояния содержит всю необходимую информацию для начального запуска программы. Во многих случаях вектор начального состояния содержит только один элемент – начальный адрес запускаемой программы.

Вектор прерывания является вектором начального состояния прерывающей программы (обработчика) и содержит всю необходимую информацию для перехода к обработчику, в том числе его начальный адрес. Каждому типу прерываний соответствует свой вектор прерывания, который инициализирует выполнение соответствующего обработчика. Обычно векторы прерывания хранятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти с короткими адресами, представляющих собой таблицу векторов прерываний . Для перехода к соответствующей прерывающей программе процессор должен располагать вектором прерывания и адресом этого вектора. По этому адресу, как правило, находится команда безусловного перехода к подпрограмме обработки прерывания.

Как правило, управление запоминанием и возвратом возложено на обработчик прерывания. В этом случае обработчик состоит из трех частей – подготовительной (пролог ) и заключительной (эпилог ), обеспечивающих переключение программ, и собственно прерывающей программы, выполняющей затребованные запросом операции. Время реакции определяется как временной интервал от момента поступления запроса прерывания до начала выполнения прерывающей программы.

t p – время реакции системы на прерывание;
t з – время запоминания состояния прерываемой программы;
t ппр – время собственно прерывающей программы;
t в – время восстановления состояния прерванной программы

При наличии нескольких источников запросов должен быть установлен определенный порядок обслуживания поступающих запросов, называемый приоритетными соотношениями или дисциплиной обслуживания . Совокупность всех возможных типов прерывания процессора представляет собой систему прерывания микроконтроллера. Дисциплина обслуживания определяет, какой из нескольких запросов, поступивших одновременно, подлежит обработке в первую очередь, и имеет ли право данный запрос прерывать тот или иной обработчик прерывания.
В случае если во время обработки прерывания поступает запрос на прерывание с более высоким уровнем приоритета, управление передается обработчику прерывания более высокого приоритета, при этом работа обработчика прерывания с более низким уровнем приоритета приостанавливается. Возникает вложенность прерываний . Максимальное число программ, которые могут приостанавливать друг друга называется глубиной прерываний .

Если запрос прерывания окажется не обслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника (того же приоритета), то возникает насыщение системы прерываний . При этом часть запросов прерывания будет утрачена, что для нормальной работы микроконтроллера недопустимо.

Характеристиками системы прерывания являются:

• общее количество запросов прерывания – количество источников запросов прерывания;
• тип представления прерывания – как правило, запрос прерывания представлен логическим уровнем сигнала;
• приоритет прерывания – определяет очередность обработки каждого запроса прерывания, чем выше приоритет, тем меньше задержка в исполнении прерывающей программы для него;
• время реакции – временной интервал между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы;
• задержка прерывания – определяется суммарным временем на запоминание и восстановление программы;
• глубина, обычно совпадает с числом уровней приоритетов в системе прерывания;
• насыщение системы прерывания;
• допустимые моменты прерывания программ (как правило, окончание выполнения следующей команды).

Маскирование прерываний используется для сообщения микроконтроллеру о необходимости реагировать на каждый тип прерывания или игнорировать его. Маска прерывания представляет двоичный код, разряды которого поставлены в соответствие источникам запроса прерываний. Единичный бит в двоичном коде сообщает микроконтроллеру о необходимости обработки прерываний такого типа. Нулевой бит напротив не позволяет микроконтроллеру переходить к обработке прерываний указанного типа.
Как правило, кроме маскирования прерываний, существует также бит глобального разрешения прерываний, нулевое значение которого отключает все обработчики прерываний (кроме аппаратного сброса и перехода к началу исполняемой программы).
Кроме двоичного кода маски прерываний существует также двоичный код флагов прерываний , который позволяет обработчику прерываний установить источник возникновения прерывания в случае если источников с указанным запросом в микроконтроллере несколько.

Существует несколько видов экстраординарных ситуаций , в которых поведение процессора регламентируется особыми правилами. Такие ситуации возникают, когда требуется срочная реакция на внешние воздействия, когда при выполнении программы происходит какая-либо ошибка или существует вероятность получения неточного результата вычислений.

В общем случае все эти ситуации разделяются по принципу их обнаружения, источника возникновения и реакции на них на следующие три категории:

• Прерывания и особые ситуации (Interrupts and Exceptions ) — обнаруживаются и обрабатываются процессором в самые различные моменты времени и могут происходить как из внешних так и из внутренних источников, все другие типы экстраординарных ситуаций занимают более низкий уровень иерархии и могут обрабатываться, только если сперва заявят о своем существовании через прерывание или особую ситуацию.
• Исключительные ситуации FPU (Floating-Point Exceptions команд сопроцессора , команд MMX или 3DNow!-команд . Возникновение исключительной ситуации FPU , в свою очередь, может вызывать генерацию прерывания через подачу сигнала на специальные внешние выводы процессора (так называемая реакция в стиле MS-DOS ) или особой ситуации (внутренний механизм процессора обеспечивает генерацию ошибки сопроцессора #MF), обработчик которой далее сам разбирается с тем, какое исключение произошло и какие действия в связи с этим следует предпринять ().
• Исключительные ситуации SIMD (SSE) (SIMD Floating-Point Exceptions ) — могут возникать только при выполнении SIMD-команд и полностью определяются состоянием SIMD-регистров процессора. SIMD-исключения сообщают о своем возникновении через генерацию специальной особой ситуации #XM . Получив управление, обработчик особой ситуации должен сам программным путем определить причину возникновения исключения ().

Прерывания и особые ситуации

Прерывания и особые ситуации (Interrupts and Exceptions ) — это специальные средства, обеспечивающие быструю реакцию процессора на внешние воздействия и прочие неожиданные ситуации. При поступлении прерывания или генерации особой ситуации выполнение программы прерывается, а управление передается специальной процедуре — обработчику прерывания или особой ситуации . В большинстве случаев, когда обработка прерывания или особой ситуации заканчивается, управление может быть возвращено в прерванную программу, которая продолжит свое выполнение с той самой точки, в которой она была остановлена. Процессор производит автоматическое сохранение/восстановление контекста и состояния для обеспечения этой возможности.

Все прерывания и особые ситуации имеют уникальные идентификационные номера . Эти номера называются векторами прерываний и лежат в пределах от 0 до 255. Векторы от 0 до 31 отведены для особых ситуаций и немаскируемого прерывания , причем некоторые из них зарезервированы и не должны использоваться программами. Векторы от 32 до 255 свободны для любого использования пользовательскими программами и внешними устройствами.

Существует два источника поступления прерываний и три типа особых ситуаций. Кроме того, различают внутренние (программные ) и внешние (аппаратные ) источники генерации прерываний и особых ситуаций .

Любые команды, для которых могут генерироваться особые ситуации , маскируемые и немаскируемые прерывания

Любые невыровненные ссылки на данные в памяти, если активирован контроль выравнивания (CR0.AM = 1, EFLAGS.AC = 1, CPL = 3)

Типы особых ситуаций и особенности их обработки

Особые ситуации , генерируемые процессором подразделяются на три типа — ошибки , ловушки и сбои . В зависимости от типа особой ситуации различается реакция процессора на ее возникновение.

• Ошибка (Fault ) — это особая ситуация , которая может быть исправлена обработчиком особой ситуации . При встрече ошибки состояние процессора сохраняется в том виде, каким оно было до начала выполнения команды, инициировавшей генерацию ошибки, а значения CS:EIP , указывающие на эту команду сохраняются в стеке обработчика. Прерванная программа после исправления ошибки может быть продолжена непосредственно с команды, вызвавшей эту ошибку .
• Ловушка (Trap ) — особая ситуация , которая генерируется после выполнения соответствующей команды. В этом случае сохраняемые в стеке значения CS:EIP , указывают на команду, которая будет выполняться вслед за командой, вызвавшей ловушку ; например, если ловушка произошла во время команды JMP , то сохраненные значения CS:EIP указывают на команду, являвшуюся целью команды JMP .
• Сбой (Abort ) — это особая ситуация , которая не допускает точную локализацию вызвавшей ее команды и не допускает перезапуска. Сбои используются для сообщений о некоторых ошибках, таких как: технические неисправности и наличие некорректных значений в системных таблицах.

Правила функционирования механизма обработки прерываний и особых ситуаций существенно зависят от режима работы процессора и текущих установок некоторых флагов в регистре CR4 . Сам этот механизм включает следующие элементы:

• таблица дескрипторов прерываний IDT (в режиме реальной адресации — таблица векторов прерываний IVT);
• регистр таблицы дескрипторов прерываний IDTR ;
• флаг маскирования внешних прерываний EFLAGS.IF ;
• флаги для работы с виртуальными прерываниями EFLAGS.VIF , EFLAGS.VIP ;
• специальная таблица — карта перенаправления прерываний IRB — располагается в сегменте TSS задачи;
• специальные типы дескрипторов шлюзов .

Здесь мы разберем такие важные темы, как: обработка прерываний, векторы прерываний, программные прерывания, IRQ , в общем поговорим на темы прерывания.

Идея прерывания была предложена в середине 50-х годов и основная цель введения прерываний – реализация синхронного режима работы и реализация параллельной работы отдельных устройств ЭВМ.

Прерывания и обработка прерываний зависят от типа ЭВМ, поэтому их реализацию относят к машинно-зависимым свойствам операционных систем.

Прерывание (interrupt) – это сигнал, заставляющий ЭВМ менять обычный порядок выполнения команд процессором.

Возникновение подобных сигналов обусловлено такими событиями , как:

• завершение операций ввода-вывода.
• истечение заранее заданного интервала времени.
• попытка деления на нуль.
• сбой в работе аппаратного устройства и др.

Обработка прерывания

С каждым прерыванием связывают число, называемое номером типа прерывания или просто номером прерывания . Система умеет распознавать, какое прерывание, с каким номером оно произошло, и запускает соответствующую этому номеру программу обработки прерывания. Таким образом, при поступлении сигнала на прерывание происходит принудительная передача управления от выполняемой программы к системе, а через нее — к обработчику прерываний.

Например прерывание с номером 9 — прерывание от клавиатуры, которое генерируется при нажатии и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных с клавиатуры. Обозначается в ОС как IRQ 1, где IRQ – обозначение прерывания, а 1 – приоритет прерывания. Данные о запросах на прерывание можно проанализировать в диспетчере устройств:

Обработчик прерываний – программа обработки прерывания, являющаяся частью ОС, предназначенная для выполнения ответных действий на условие, вызвавшее прерывание.

Предположим, что в момент поступления сигнала прерывания от некоторого источника программа А находится в решении. В результате управление автоматически передается обработчику прерываний. После завершения обработки управление может быть снова передано в ту точку программы А, где ее выполнение было прервано:

Векторы прерываний

Адреса программ, соответствующих различным прерываниям, собраны в таблицу, которая называется таблицей векторов прерываний .

Для микропроцессора требуется простой способ определения местоположения программы обработки прерывания и это осуществляется путем использования таблицы векторов прерываний .

Таблица векторов прерываний занимает первый килобайт оперативной памяти — адреса от 0000:0000 до 0000:03FF. Таблица состоит из 256 элементов — FAR-адресов обработчиков прерываний. Эти элементы называются векторами прерываний . В первом слове элемента таблицы записано смещение, а во втором — адрес сегмента обработчика прерывания. Векторами являются просто полные адреса памяти программы (в сегментированной форме), которая должна быть активизирована в случае возникновения прерывания.

Прерыванию с номером 0 соответствует адрес 0000:0000, прерыванию с номером 1 — 0000:0004 и т.д. Адрес такой состоит из пары 2-байтовых слов, поэтому каждый из векторов занимает четыре байта.

Можно просмотреть таблицу векторов прерываний в компьютере, если воспользоваться программой DEBUG. Используйте команду D для вывода содержимого начала памяти: D 0:0. Программа DEBUG покажет вам первые 128 байтов или 32 вектора, которые могут иметь вид наподобие следующего:

0000:0000 E8 4E 9A 01 00 00 00 00-C3 E2 00 F0 00 00 00 00
0000:0010 F0 01 70 00 54 FF 00 F0-05 18 00 F0 05 18 00 F0
0000:0020 2C 08 51 17 D0 0A 51 17-AD 08 54 08 E8 05 01 2F
0000:0030 FA 05 01 2F 05 18 00 F0-57 EF 00 F0 F0 01 70 00
0000:0040 90 13 C7 13 4D F8 00 F0-41 F8 00 F0 3E 0A 51 17
0000:0050 5C 00 B7 25 59 F8 00 F0-E2 0A 51 17 9C 00 B7 25
0000:0060 00 00 00 F6 8E 00 DE 09-6E FE 00 F0 F2 00 7B 09
0000:0070 27 08 51 17 A4 F0 00 F0-22 05 00 00 00 00 00 F0

Векторы хранятся как «слова наоборот»: сначала смещение, а потом сегмент. Например, первые четыре байта, которые программа DEBUG показала выше (E8 4E 9A 01) можно преобразовать в сегментированный адрес 019A:4EE8.

Можно встретить три вида адресов в таблице векторов . Это могут быть адреса, указывающие на ROM-BIOS, которые можно идентифицировать шестнадцатеричной цифрой F, которая предшествует номеру сегмента. Это могут быть адреса, которые указывают на главную память (как в примере: 019A:4EE8). Эти адреса могут указывать на подпрограммы ДОС или на резидентную программу (например, SideKick или Prokey), либо они могут указывать на саму программу DEBUG (поскольку DEBUG должна временно управлять прерыванием). Также векторы могут состоять из одних нулей, когда прерывание с данным номером не обрабатывается в текущий момент.

Инициализация таблицы происходит частично BIOS после тестирования аппаратуры и перед началом загрузки операционной системой, частично при загрузке операционной системы.

Ниже приведено назначение некоторых векторов:

№	Описание
0	Ошибка деления. Вызывается автоматически после выполнения команд DIV или IDIV, если в результате деления происходит переполнение (например, при делении на 0).
2	Аппаратное немаскируемое прерывание. Это прерывание может использоваться по-разному в разных машинах. Обычно вырабатывается при ошибке четности в оперативной памяти и при запросе прерывания от сопроцессора.
5	Печать копии экрана. Генерируется при нажатии на клавиатуре клавиши PrtScr. Обычно используется для печати образа экрана.
8	IRQ0 — прерывание интервального таймера, возникает 18,2 раза в секунду.
9	IRQ1 — прерывание от клавиатуры. Генерируется при нажатии и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных от клавиатуры.
A	IRQ2 — используется для каскадирования аппаратных прерываний в машинах класса AT
B	IRQ3 — прерывание асинхронного порта COM2.
C	IRQ4 — прерывание асинхронного порта COM1.
D	IRQ5 — прерывание от контроллера жесткого диска для XT.
E	IRQ6 — прерывание генерируется контроллером флоппи-диска после завершения операции.
F	IRQ7 — прерывание принтера. Генерируется принтером, когда он готов к выполнению очередной операции. Многие адаптеры принтера не используют это прерывание.
10	Обслуживание видеоадаптера.
11	Определение конфигурации устройств в системе.
12	Определение размера оперативной памяти в системе.
13	Обслуживание дисковой системы.
14	Последовательный ввод/вывод.
1A	Обслуживание часов.
1B	Обработчик прерывания Ctrl-Break.
70	IRQ8 — прерывание от часов реального времени.
71	IRQ9 — прерывание от контроллера EGA.
75	IRQ13 — прерывание от математического сопроцессора.
76	IRQ14 — прерывание от контроллера жесткого диска.
77	IRQ15 — зарезервировано.

IRQ0 — IRQ15 — это аппаратные прерывания.

Механизм обработки прерываний

При обработке каждого прерывания должна выполняться следующая последовательность действий:

• Восприятие запроса на прерывание: прием сигнала и идентификация прерывания.
• Запоминание состояния прерванного процесса: определяется значением счетчика команд (адресом следующей команды) и содержимым регистров процессора.
• Передача управления прерывающей программе (в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры – информация из слова состояния процессора).
• Обработка прерывания.
• Восстановление прерванного процесса и возврат в прерванную программу.

Главные функции механизма прерывания:

1. распознавание или классификация прерываний.
2. передача управления соответственно обработчику прерываний.
3. корректное возвращение к прерванной программе (перед передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом либо в системном стеке).

Типы прерываний

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на 4 группы:

Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и возникают по отношению к программе асинхронно, т.е. в общем случае невозможно предсказать, когда и по какой причине программа будет прервана.

Аппаратные прерывания не координируются c работой программного обеспечения. Когда вызывается прерывание, то процессор оставляет свою работу, выполняет прерывание, a затем возвращается на прежнее место.

Внешние прерывания возникают по сигналу какого-либо внешнего устройства например:

• Прерывание, которое информирует систему о том, что требуемый сектор диска уже прочитан, его содержимое доступно программе.
• Прерывание, которое информирует систему о том, что завершилась печать символа на принтере и необходимо выдать следующий символ.
• Прерывания по нарушению питания.
• Нормальное завершение некоторой операции ввода-вывода (нажатие клавиши на клавиатуре).
• Прерывание по таймеру.

Прерывание по таймеру вызывается интервальным таймером. Этот таймер содержит регистр, которому может быть присвоено определенное начальное значение посредством специальной привилегированной команды. Значение этого регистра автоматически уменьшается на 1 по истечении каждой миллисекунды времени. Когда это значение становятся равным нулю, происходит прерывание по таймеру. Подобный интервальный таймер используется операционной системой для определения времени, в течение которого программа пользователя может оставаться под управлением машины.

Маскируемые и немаскируемые внешние прерывания

Существуют два специальных внешних сигнала среди входных сигналов процессора, при помощи которых можно прервать выполнение текущей программы и тем самым переключить работу центрального процессора. Это сигналы NMI (Non Mascable Interrupt, немаскируемое прерывани ) INTR (interrupt request, запрос на прерывание ).

Соответственно внешние прерывания подразделяются на два вида: немаскируемые и маскируемые.

Часто при выполнении критических участков программ, для того чтобы гарантировать выполнение определенной последовательности команд целиком, приходится запрещать прерывания (т.е. сделать систему нечувствительной ко всем или отдельным прерываниям). Это можно сделать командой CLI. Ее нужно поместить в начало критической последовательности команд, а в конце расположить команду STI, разрешающую процессору воспринимать прерывания. Команда CLI запрещает только маскируемые прерывания, немаскируемые всегда обрабатываются процессором.

Таким образом, наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерываний. Прерывания, которые замаскировать нельзя — это немаскируемые прерывания.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями, а именно прерывание происходит, когда:

• при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);
• при наличии в поле кода не задействованной двоичной комбинации.
• при делении на нуль.
• при переполнении или исчезновении порядка.
• при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Программные прерывания

Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. По этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных прерываниях, но только это происходит в предсказуемой точке программы – там, где программист поместил данную команду. Поэтому программные прерывания не являются асинхронными (программа «знает», когда она вызывает прерывание).

Программные прерывания в прямом смысле прерываниями не являются, поскольку представляют собой лишь специфический способ вызова процедур — не по адресу, а по номеру в таблице.

Механизм программных прерываний был специально введен для того, чтобы:

1. переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычные прерывания. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд.
2. использование программных прерываний приводит к более компактному коду программ по сравнению с использованием стандартных команд выполнения процедур.

Пример (программные прерывания):

• привилегированная команда в режиме пользователя.
• адрес вне диапазона.
• нарушение защиты памяти.
• арифметическое переполнение, отсутствует страница.
• нарушение защиты сегмента.
• выход за границу сегмента.

В упрощенном виде схему обработки различных видов прерываний можно представить следующим образом:

КП – контроллер прерываний, имеет несколько уровней (линий) для подключения контроллеров устройств (на схеме обозначены КУ). Возможно каскадное подключение контролеров, когда на один из его входов подключается еще одни контроллер прерываний. ЦП – центральный процессор.

Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами компьютера, когда возникает необходимость их обслуживания. В отличие от программных прерываний, вызываемых запланировано самой прикладной программой, аппаратные прерывания всегда происходят асинхронно по отношению к выполняющимся программам. Кроме того, может возникнуть одновременно несколько прерываний. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания.

Каждому прерыванию назначается свой уникальный приоритет. Если происходит одновременно несколько прерываний, то система отдает предпочтение самому высокоприоритетному, откладывая на время обработку остальных прерываний.

В случае о прерывании самой программы обработки прерывания говорят о вложенном прерывании . Уровни приоритетов обозначаются сокращенно IRQ0 — IRQ15 или IRQ0 – IRQ23 (в зависимости от микросхемой реализации).

Пpepывaнию вpeмeни cутoк дан мaкcимaльный пpиopитeт, пocкoльку ecли oнo будет пocтoяннo тepятьcя, то будут нeвepными пoкaзaния cиcтeмныx чacoв. Пpepывaниe от клaвиaтуpы вызывaeтcя при нaжaтии или oтпуcкaнии клавиши; oнo вызывaeт цепь coбытий, кoтopaя oбычнo зaкaнчивaeтcя тем, что код клавиши пoмeщaeтcя в буфep клaвиaтуpы (oткудa он зaтeм мoжeт быть пoлучeн пpoгpaммными пpepывaниями).

Ну и наконец реализация механизма обработки прерываний

В машине для каждого класса прерываний имеется соответствующая ему рабочая область прерываний . Например, имеется область, соответствующая прерыванию по таймеру. Когда происходит прерывание по таймеру, содержимое всех регистров сохраняется в этой области (например, пропустив первые несколько слов). Затем из этих пропущенных слов извлекаются заранее занесенные туда значения, которые перезаписываются в счетчик (указатель) команд машины и в слово состояния (или во флаговый регистр). Загрузка и сохранение регистров осуществляется аппаратными средствами машины автоматически.

Загрузка счетчика команд новым значением адреса автоматически вызывает передачу управления на соответствующую команду. Этот адрес, заранее сохраненный в рабочей области прерывания, представляет собой начальный адрес стандартной программы обработки прерываний по таймеру. Загрузка слова состояния также вызывает определенные изменения в состоянии процессора.

После выполнения в ответ на запрос на прерывание любого требуемого действия стандартная программа обработки прерываний выполняет команду загрузки состояния процессора, в результате чего управление передается прерванной программе. Происходит это следующим образом: команда загрузки состояния процессора вызывает загрузку сохраненного содержимого слова состояния, счетчика команд и других регистров из соответствующих слов области сохранения, начиная с адреса, указанного в команде. Это приводит к восстановлению содержимого регистров и состояния процессора, которые были в момент прерывания. Управление затем передается на команду, перед выполнением которой произошло прерывание.

Сохранение и восстановление состояния процессора и содержимого регистров называют операцией контекстного переключения .

У большинства машин имеется так называемое слово состояния, которое содержит часть информации, используемой при обработке прерываний. Одним из элементов этого слова (например, первый) является признак, определяющий, в каком режиме находится процессор: в пользовательском или супервизора .

Обычные программы находятся в пользовательском режиме (признак равен нулю). Когда происходит прерывание, новое загружаемое содержимое слово состояния имеет признак, равный 1, что автоматически переводит процессор в режим супервизора. В этом режиме становится возможным использование привилегированных команд. Перед тем, как значение слова состояния будет сохранено, в другом его элементе (например, втором) будет установлено значение, указывающее на причину прерывания:

• при программном прерывании отражается тип вызвавшего его условия, например деление на нуль.
• при прерывании по вводу-выводу заносится номер канала, вызвавший прерывание.

В третьем элементе указывается, выполняет ли процессор команды или простаивает. В четвертом элементе содержится указатель, идентифицирующий текущую выполняемую программу. В пятом элементе содержится маска прерываний, которая используется для контроля за разрешением прерываний (поле MASK).

Это поле используется, чтобы не допустить наступления прерываний определенного типа, пока первое из них не будет обработано. В MASK каждый бит соответствует некоторому классу прерываний. Если какой-то бит установлен в 1, то прерывания соответствующего класса разрешены, если в 0, то запрещены. В последнем случае говорят, что они маскированы (их также называют запрещенными или закрытыми ). Однако маскированные прерывания не теряются, потому что сигнал, вызвавший прерывание, сохраняется аппаратурой. Временно задержанное таким способом прерывание называется отложенным . Когда (вследствие того, что значение MASK сброшено) прерывания соответствующего класса вновь разрешаются, сигнал опознается и происходит прерывание.

Маскирование прерываний находится под контролем операционной системы и зависит от значения MASK в слове состояния, которое заранее сохраняется в рабочей области каждого прерывания. Можно запретить все прерывания, установив все биты MASK в нуль. В действительности поступать подобным образом нет необходимости.