2.3 Обработка прерываний

Прерывания представляют собой механизм позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния возникающие при работе процессора.

Прерывания – это принудительная передача управления от выполняющейся программы к системе, а через неё к соответствующей программе обработки прерываний, происходящая при определенном событии. Основная цель введения прерываний – реализация асинхронного режима работы и распараллеливания работы отдельных устройств вычислительного комплекса. Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами.

Структуры систем прерываний могут быть самыми различными, но все они имеют общую особенность – прерывание непременно ведет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Механизм обработки прерываний включает в себя следующие элементы:

1. Установление факта прерывания (прием и идентификация сигнала на прерывание).

2. Запоминание состояния прерванного процесса (состояние процесса определяется значением счетчика команд, содержимым регистра, процессора, спецификацией, режима: пользовательский или привилегированный)

3. Управление аппаратно передается программе обработки прерывания. В этом случае, в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерывания, а в соответствующие регистры - состояния.

4. Сохранение информации прерванной программе, которую не удалось спасти с помощью действий аппаратуры.

5. Обработка прерывания. Работа может быть выполнена той же подпрограммой, которой было передано управление на 3-ем шаге, но в ОС чаще всего эта обработка реализуется путем вызова соотв. подпрограммы.

6. восстановление информации относящейся к прерванному процессу.

7. Возврат в прерванную программу.

Первые 3 шага реализуются аппаратными средствами, а остальные – программно.

Главные функции механизма прерывания:

1. Распознавание или классификация прерывания.

2. Передача управления обработчику прерывания.

3. Корректное возвращение к прерванной программе

Переход от прерванной программы к обработчику и обратно должен производится как можно быстрее. Одним из быстрых методов является использование таблицы сод. перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соотв. обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе, перед передачей управления обработчику, содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом либо в системном стеке.

Обслуживание прерываний. Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы, процессор может обладать системой защиты от прерываний: отключение системы прерываний либо запрет или маскирование отдельных сигналов прерываний. Программное управление этими средствами позволяет ОС регулировать обработку сигналов прерывания. Процессор может обрабатывать прерывания сразу по приходу прерывания, откладывать их обработку на некоторое время, полностью игнорировать. Обычно операции прерывания выполняются только после завершения выполнения текущей команды. Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке им присваиваются приоритеты. Программы, управляя специальными регистрами маски, позволяют реализовать различные дисциплины обслуживания:

1) с относительным приоритетом. При этом обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. После окончания обслуживания данного запроса (текущего) обслуживается запрос с наивысшим приоритетом. Для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные прерывания или просто отключить систему прерываний.

2) с абсолютным приоритетом. Всегда обслуживаются задачи с наивысшим приоритетом. Для реализации этой дисциплины при запросе на обработку прерываний маскируются все прерывания с низшим приоритетом. При этом возможно многоуровневое прерывание, т. е. прерывание программы обработки прерывания. Число уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета запроса по принципу стека: LCFS – last come first served, т. е. запрос с более высоким приоритетом может прервать запрос с более низким приоритетом. При появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и если прерывания разрешены, то управление передается на соотв. программу обработки прерываний.

Служебные секции, в которых осуществляется сохранение контекста прерванной задачи и последняя секция в которой осуществляется восстановление контекста, чтобы система прерываний не среагировала повторно на сигнал запроса на прерывание. Эта система прерываний автоматически отключает прерывания, поэтому необходимо в подпрограмм обработки прерываний вновь включать эту систему обработки прерываний. Итак, на время выполнения центральной секции обработки прерываний прерывания разрешены, на время работы заключительной секции подпрограмма обработки прерываний должна быть отключена, а после восстановления контекста прерванной задачи включена вновь. Эти действия нужно выполнять в каждой обработке прерываний. Во многих ОС 1 секция обработки прерываний выделяется в специальный программный модуль наз. супервизором прерываний.

Внешние, внутренние и программные прерывания.

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы можно разделить на внешние и внутренние. Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса. Пример – прерывание от таймера, прерывание от внешних устройств, прерывание по вводу/выводу, прерывание по нарушению питания, прерывание с пульта оператора, прерывание от другого процессора или другой ОС.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Например: при нарушении адресации (когда указан запрещенный или несуществующий адрес) либо обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации виртуальной памяти; при наличии в поле кода операции незадействованной 2-ичной комбинации; при делении на 0; при переполнении или исчезновения порядка; при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерывания т. е. по этой команде процессор осуществляет те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход на подпрограмму, а точно таким же образом, как и в обычных прерываниях. Этим обеспечивается автоматическое переключения процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд. Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре, при этом возникать они могут одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритета, приписанных к каждому типу прерывания. Учет приоритета прерывания может быть встроен в технические средства, а также определяться ОС.

Таблица 2 Распределение прерываний по уровням приоритета:

Средства контроля CPU	Высший приоритете
Системный таймер
Магнитные диски
Сетевое оборудование
Терминалы
П рограммные прерывания		Низший приоритете

Принципы организации СПП

При функционировании ЭВМ в ней самой и связанной с ней внешней среде могут возникать события, требующие немедленной реакции на них со стороны ЭВМ. Эта реакция состоит в том, что ЭВМ прерывает обработку текущей программы, которая является прерываемой, и переходит к выполнению другой программы, называемой прерывающей и специально предназначенной для обработки данного события. Рассматриваемый процесс называется прерыванием программ. Моменты возникновения некоторой части событий, требующих прерывания программ, заранее неизвестны и поэтому не могут быть учтены при программировании.

Любое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, оповещающим ЭВМ. Эти сигналы называются запросами прерывания и генерируются несколькими выполняющимися параллельно во времени процессами, например:

• процессом выполнения текущей программы в ЦП и внутренней памяти ЭВМ;

• процессом аппаратного контроля правильности работы ЭВМ, каналов и периферийных устройств (ПУ);

• процессом функционирования каналов и ПУ;

• процессом функционирования таймера;

• процессом функционирования ЭВМ, сопряженной с данной ЭВМ, и т.д.

Прерывания от устройства аппаратного контроля возникают при обнаружении этим устройством неисправности в ЭВМ, канале или ПУ.

Прерывания ввода-вывода происходят при завершении работы канала или ПУ.

Прерывания от таймера происходят при переполнении таймера.

Возможность прерывания программ - важное свойство ЭВМ, позволяющее существенно повысить эффективность использования ее ресурсов, а также использовать ЭВМ для управления в системах реального времени. Для реализации прерывания в ЭВМ должны существовать соответствующие программные и аппаратные средства, называемые системой прерывания программ (СПП), или контроллером прерываний. Основные функции СПП состоят в запоминании ССП и переходе к прерывающей программе, при этом для запоминания ССП используется фиксированная зона оперативной памяти (например, в ЭВМ типа IBM/360 и IBM/370 и соответственно в ЕС ЭВМ) или же стековая память (например, в ЭВМ типа IBM PC с МП типа 80х86).

При наличии нескольких источников запросов прерывания должен быть установлен определенный порядок (дисциплина) в обслуживании поступающих запросов. Другими словами, должны быть установлены приоритетные соотношения, определяющие, какой из нескольких поступивших запросов должен быть обработан в первую очередь и имеет ли он право прервать текущую программу. Приоритетный выбор запроса входит в процедуру перехода к прерывающей программе.

Важную роль играет регистр масок прерываний, разряды которого могут программно и аппаратно устанавливаться в "1" или "0". Этим достигается программно-управляемый приоритет прерываний. Установленный в "1" триггер регистра масок запрещает соответствующее прерывание, а в положении "0" разрешает его. Некоторые причины прерывания в каких-то конкретных типах ЭВМ не могут быть программно замаскированы.

Векторное прерывание

В современных ЭВМ обычно реализуется так называемое векторное прерывание, при котором источник прерывания выставляет запрос прерывания и одновременно выставляет на шины интерфейса с центральным процессором код адреса своего вектора прерывания в памяти ЭВМ, т.е. для разных причин сразу же включаются аппаратно соответствующие им прерывающие программы, называемые обработчиками прерываний. В некоторых ЭВМ источник прерывания вместо кода адреса своего вектора выставляет номер своего прерывания, по которому СПП формирует адрес внутренней памяти с новым ССП.

Обработчик прерывания

Перечислим основные действия, который должен выполнить обработчик прерываний:

1. Сохранять при необходимости содержимое всех или части программно-доступных регистров (эту процедуру иногда называют переключением контекста);

2. Заблокировать все прерывания, возникновение которых в процессе выполнения обработчика может привести к конфликту (часто это выполняется аппаратурой ЭВМ без участия программы);

3. Разрешить все прерывания, которые имеют право возникать во время обработки данного прерывания;

4. Определить источник прерывания;

5. Выполнить запланированную обработку прерывания;

6. Восстановить ССП;

7. Разрешить все прерывания, которые были запрещены при обработке данного прерывания.

8. Возобновлять выполнение прерванного процесса; вместо этого обработчик прерывания может заканчивать свою работу переводом ЭВМ в состояние ожидания (например, при машинных сбоях) или передачей управления ОС.

Основные типы прерываний в ЭВМ типа IBM PC с МП 80х86

Прерывания в этой ЭВМ могут быть разбиты на следующие группы:

• немаскируемое аппаратное прерывание, возникающее в результате серьезного аппаратного сбоя в работе МП и внутренней памяти.

• внешние аппаратные прерывания, возникающие при возникновении сигналов прерывания от таймера, клавиатуры и различных ПУ;

• внутренние события, называемые исключениями и возникающие в том случае, если процессор не может выполнить очередную команду, например, вследствие равенства делителя нулю при выполнении операции деления, недопустимом коде команды и т.д.; к этой же группе относится прерывание, называемое исключением отладки и возникающее в том случае, если по заданию программиста в команде при трансляции был установлен признак так называемой ловушки;

• программные прерывания, возникающие при выполнении процессором команды int с числовым аргументом.