Система прерывания программ (СПП)

 Система прерывания программ (СПП) 

 1. Понятие о состоянии  программы. Вектор (слово)  состояния 

 Вектор  состояния, или слово состояния программы (ССП), в любой момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора состояния. При этом предполагается, что остальная информация, характеризующая состояние программы, например, содержимое всех или части  программно-адресуемых  регистров, может  при необходимости быть сохранена программным  путем в оперативной памяти ЭВМ.

 ССП формируется  в соответствующих регистрах  центрального процессора (ЦП), изменяясь  после выполнения каждой команды. Разные ЭВМ имеют разные наборы  информационных  элементов, образующих ССП. Например, в реальном режиме работы микропроцессора 80х86 ССП, сохраняемое в стеке, содержит следующие составляющие:

• значение регистра сегмента команд CS (в ячейках памяти этого сегмента содержатся команды выполняемой программы);
• значение регистра указателя команд IP;
• значение регистра флагов FLAGS.

 2. 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. 

 3. 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. 

 4. 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.

 Таймер. Интервальный таймер 

 Другим аппаратным устройством, имеющим важнейшее  значение для организации вычислительного  процесса, является таймер. Его использование позволяет программно-аппаратным способом задавать программные события, наступающие по истечении заданного промежутка времени, считая от момента задания этих событий. Эти события  реализуются путем выработки сигнала прерывания от таймера и включения соответствующего обработчика прерывания. Рассмотрим более подробно работу таймера на примере его устройства в ЭВМ типа IBM PC с МП типа 80х86.

 Этот таймер состоит из трех почти одинаковых каналов – каналов "0", "1" и "2". При работе программ главным образом используется канал "0", поэтому он и будет рассмотрен; на рис.1 приведена его схема. Генератор  импульсов (ГИ) вырабатывает с частотой f=1193180 Гц непрерывную последовательность импульсов, поступающих на импульсные входы всех трех каналов. При каждом поступлении импульса на вход 16-разрядного счетчика из содержимого последнего вычитается "1" и при  переходе этого  счетчика из состояния 000...01 в состояние 000...00 вырабатывается  сигнал  прерывания, поступающий в СПП для включения последним программы-обработчика прерывания от таймера. Если исходно состояние счетчика таймера равно 00...0, то при поступлении очередного импульса из ГИ состояние счетчика становится равным 11...1 и далее уменьшается на "1" при каждом поступлении импульса из ГИ. В этом случае сигнал прерывания будет выработан таймером после поступления на его вход 65536 импульсов, т.е. по прошествии интервала времени, примерно равного 55 мсек, что соответствует частоте срабатывания таймера, примерно равной 18,2 Гц. В случае, если интервал времени срабатывания таймера должен иметь меньшее значение, чем 55 мсек, то в счетчик таймера необходимо занести код, соответствующий числу импульсов N, вычисляемому по формуле

      где F - требуемое значение  частоты срабатывания таймера,  причем должно выполняться неравенство  F > 18,2 Гц. Например, для F = 72,8 Гц получим, что N = 16389,8; округляя, получим, что в счетчик таймера должен быть занесен двоичный код 0 100 000 000 000 110. 

 Занесение требуемого кода в  счетчик таймера производится следующим образом. Сначала МП х86 должен выполнить команду программы, которая производит передачу в порт таймера с шестнадцатеричным номером

40h требуемый  двоичный код. Затем МП х86  должен  выполнить  команду  программы, которая производит  передачу в порт таймера с шестнадцатеричным номером 43h байта, в котором указывается номер программируемого канала таймера, режим работы этого канала и количество передаваемых в счетчик таймера байтов - 1 или 2. После этого в запрограммированном канале таймера немедленно начинает функционировать сначала схема управления  занесением  кода в счетчик таймера и затем сам счетчик таймера в соответствии с полученным заданием. 

 Рис.1. Схема  таймера в ПЭВМ IBM PC для канала "0" 

 Рассмотрим  теперь работу программы, которую обычно называют интервальным таймером. Необходимость использования этой программы определяется  тем обстоятельством, что в большинстве типов ЭВМ, в том числе и в ЭВМ типа IBM PC, используется только один таймер, хотя во многих случаях при функционировании достаточно сложных программ возникает необходимость организации нескольких  параллельно существующих программ, которые должны быть включены в различные заранее определенные моменты времени. Один из возможных способов организации интервального таймера состоит в следующем. Этой программой, для управления процессом параллельного выполнения нескольких программ, в оперативной памяти составляется  таблица, в которой для каждой из этих программ выделяется несколько строк, содержащих следующие параметры:

• адрес начала i-й программы;
• значение Т(i) интервала времени, по истечении которого должна быть включена эта программа, причем отсчет этого интервала начинается с момента организации интервальным таймером этой программы;
• текущее значение интервала времени t(i), по истечении которого должна быть включена эта программа;
• признак c(i) режима включения этой программы - циклический или разовый (пусть, например, с(i)=0 для разового режима).

 Кроме того, в этой таблице должна  быть еще  одна строка, общая для всех программ, в которой содержится значение интервала  времени Т, которое задано для текущего включения таймера.

  Тогда  при каждом включении программы-обработчика  прерывания от таймера в этой  таблице корректируются все интервалы  времени, величина которых больше  нуля, путем уменьшения их значений  на величину Т. Если после корректировки окажется, что для каких-то программ величина t(i)=0 или t(i)<0, то должно быть организовано  последовательное включение этих программ. Если для каких-то программ с(i)=1, то должно быть выполнено присвоение t(i)=T(i) и затем организовано очередное включение этих программ по истечении соответствующих им интервалов времени, равных t(i).