Прерывания. Источники прерываний, средства управления прерываниями.

Прерывания. Источники прерываний, средства управления прерываниями.

Прерывание (англ. interrupt) — сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передаётся обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код.

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:

асинхронные, или внешние (аппаратные) — события, которые исходят от внешних источников (например, периферийных устройств) и могут произойти в любой произвольный момент: сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя, нажатие клавиш клавиатуры, движение мыши. Факт возникновения в системе такого прерывания трактуется как запрос на прерывание (англ. Interrupt request, IRQ);

синхронные, или внутренние — события в самом процессоре как результат нарушения каких-то условий при исполнении машинного кода: деление на ноль или переполнение стека, обращение к недопустимым адресам памяти или недопустимый код операции;

программные (частный случай внутреннего прерывания) — инициируются исполнением специальной инструкции в коде программы. Программные прерывания, как правило, используются для обращения к функциям встроенного программного обеспечения (firmware- Прошивкой), драйверов и операционной системы.

Термин «ловушка» (англ. trap) иногда используется как синоним термина «прерывание» или «внутреннее прерывание». Как правило, словоупотребление устанавливается в документации производителя конкретной архитектуры процессора.

Источники прерываний

Когда требуется прервать программу? Обычно, когда происходит какое-нибудь важное событие. Что является важным событием — необходимо определить самим, настроив разрешения прерываний от используемых модулей. Например, пришел байт на UART. Если его не обработать вовремя, то следующий пришедший байт затрет уже имеющийся, и, информация будет потеряна. Поэтому по приходу байта на UART необходимо «все бросить» и считать байт из приемного буфера. Итак, если в проекте используется UART, его необходимо настроить так, чтобы он генерировал прерывание по заполнению приемного буфера. Если это сделано — UART является источником прерывания. Кроме UART источниками прерываний обычно служат модули:

АЦП

Таймеры

Внешние прерывания

I2C

SPI

CAN

EEPROM

и т.д.

Можно сказать, что практически вся периферия может генерировать прерывания. Если периферия какого-либо микроконтроллера не может генерировать прерывания — это сильно ограничивает возможности микроконтроллера.

Кроме прочего, можно ошибочно подумать, что прерывания настраиваются только при запуске микроконтроллера. На самом деле это не так. Прерывания можно включать и отключать, или менять их приоритет в любом месте программы.

Каждый раз перед выполнением очередной команды CPU производит проверку наличия запроса прерывания INTR. При наличии запроса прерывания останавливается выполнение основной программы и происходит переход к обработке прерывания. Выясняется, разрешены ли прерывания (анализ состояния разряда IF регистра флагов). Если разрешены, то процессором выдается сигнал INTA в контроллер прерываний для получения номера вектора прерывания. В стеке сохраняется содержимое регистров и адрес текущей команды, чтобы был возможен возврат к выполнению основной программы. Затем выставляется запрет прерываний (IF=0). По номеру прерывания в таблице векторов определяется адрес обработчика прерывания. По этому адресу находится начало программы обработки прерывания. По окончании работы этой программы из стека извлекается содержимое регистра флагов и счетчика команд, происходит возврат к основной программе.

Контроллер необходим для слежения за соблюдением приоритетов прерываний, а также для присвоения номера каждому запросу.

Контроллер прерываний содержит регистр номера прерывания. При поступлении запроса на прерывание контроллер сравнивает приоритет текущего выполняемого кода и отбрасывает запрос на прерывание с меньшим или равным приоритетом. Старшая часть номера запроса может быть задана программно.

Каждая программа обработки прерывания завершается командой IRET, выполнение которой обеспечивает возврат к прерванной программе для продолжения ее выполнения.

Логическая схема обработки прерывания реализуется в виде программируемого контроллера прерываний (PIC), который располагается на кристалле вместе с CPU.

 

Прерывания. Векторы прерываний, приоритеты прерываний, маскирование прерываний.

Векторы прерываний

Для того чтобы связать адрес обработчика прерывания с номером прерывания, используется таблица векторов прерываний, занимающая первый килобайт оперативной памяти. Эта таблица находится в диапазоне адресов от 0000:0000 до 0000:03FFh и состоит из 256 элементов – дальних адресов обработчиков прерываний.

Элементы таблицы векторов прерываний называются векторами прерываний. В первом слове элемента таблицы записана компонента смещения, а во втором – сегментная компонента адреса обработчика прерывания.

Вектор прерывания с номером 0 находится по адресу 0000:0000, с номером 1 - по адресу 0000:0004 и т. д. В общем случае адрес вектора прерывания находится путем умножения номера прерывания на 4.

Инициализация таблицы выполняется частично системой базового ввода/вывода BIOS после тестирования аппаратуры и перед началом загрузки операционной системой, частично при загрузке MS-DOS. Операционная система MS-DOS может изменить некоторые вектора прерываний, установленные BIOS.

Таблица векторов прерываний

Номер	Описание
0h	Ошибка деления. Вызывается автоматически после выполнения команд DIV или IDIV, если в результате деления происходит переполнение (например, при делении на 0). Обычно при обработке этого прерывания MS-DOS выводит сообщение об ошибке и останавливает выполнение программы. При этом для процессора i8086 адрес возврата указывает на команду, следующую после команды деления, а для процессора i80286 и более поздних моделей - на первый байт команды, вызвавшей прерывание
1h	Прерывание пошагового режима. Вырабатывается после выполнения каждой машинной команды, если в слове флагов установлен бит пошаговой трассировки TF. Используется для отладки программ. Это прерывание не вырабатывается после пересылки данных в сегментные регистры командами MOV и POP
2h	Аппаратное немаскируемое прерывание. Это прерывание может использоваться по-разному в разных машинах. Обычно оно вырабатывается при ошибке четности в оперативной памяти и при запросе прерывания от сопроцессора
3h	Прерывание для трассировки. Генерируется при выполнении однобайтовой машинной команды с кодом CCh и обычно используется отладчиками для установки точки прерывания
4h	Переполнение. Генерируется машинной командой INTO, если установлен флаг переполнения OF. Если флаг не установлен, команда INTO выполняется как NOP. Это прерывание используется для обработки ошибок при выполнении арифметических операций
5h	Печать копии экрана. Генерируется, если пользователь нажал клавишу <PrtSc>. В программах MS-DOS обычно используется для печати образа экрана. Для процессора i80286 и более старших моделей генерируется при выполнении машинной команды BOUND, если проверяемое значение вышло за пределы заданного диапазона
6h	Неопределенный код операции или длина команды больше 10 байт
7h	Особый случай отсутствия арифметического сопроцессора
8h	IRQ0 – прерывание интервального таймера, возникает 18,2 раза в секунду
9h	IRQ1 – прерывание от клавиатуры. Генерируется, когда пользователь нажимает и отжимает клавиши. Используется для чтения данных из клавиатуры
Ah	IRQ2 – используется для каскадирования аппаратных прерываний
Bh	IRQ3 – прерывание асинхронного порта COM2
Ch	IRQ4 – прерывание асинхронного порта COM1
Dh	IRQ5 – прерывание от контроллера жесткого диска (только для компьютеров IBM PC/XT)
Eh	IRQ6 – прерывание генерируется контроллером НГМД после завершения операции ввода/вывода
Fh	IRQ7 – прерывание от параллельного адаптера. Генерируется, когда подключенный к адаптеру принтер готов к выполнению очередной операции. Обычно не используется
10h	Обслуживание видеоадаптера
11h	Определение конфигурации устройств в системе
12h	Определение размера оперативной памяти
13h	Обслуживание дисковой системы
14h	Работа с асинхронным последовательным адаптером
15h	Расширенный сервис
16h	Обслуживание клавиатуры
17h	Обслуживание принтера
18h	Запуск BASIC в ПЗУ, если он есть
19h	Перезагрузка операционной системы
1Ah	Обслуживание часов
1Bh	Обработчик прерывания, возникающего, если пользователь нажал комбинацию клавиш <Ctrl+Break>
1Ch	Программное прерывание, вызывается 18,2 раза в секунду обработчиком аппаратного прерывания таймера
1Dh	Адрес видеотаблицы для контроллера видеоадаптера 6845
1Eh	Указатель на таблицу параметров дискеты
1Fh	Указатель на графическую таблицу для символов с кодами ASCII 128-255
20h-5Fh	Используется MS-DOS или зарезервировано для MS-DOS
60h-67h	Прерывания, зарезервированные для программ пользователя
68h-6Fh	Не используются
70h	IRQ8 – прерывание от часов реального времени
71h	IRQ9 – прерывание от контроллера EGA
72h	IRQ10 – зарезервировано
73h	IRQ11 – зарезервировано
74h	IRQ12 – зарезервировано
75h	IRQ13 – прерывание от арифметического сопроцессора
76h	IRQ14 – прерывание от контроллера жесткого диска
77h	IRQ15 – зарезервировано
78h - 7Fh	Не используются
80h-85h	Зарезервировано для BASIC
86h-F0h	Используются интерпретатором BASIC
F1h-FFh	Не используются