Принципы организации систем прерывания программ

В процессе выполнения программ внутри ЭВМ или во внешней среде могут возникнуть события, 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 завершению этой программы процессор возвращается к выполнению прерванной программы. Рассматриваемый процесс называется прерыванием программы и может быть пояснен рис. 5.1.

 

 

Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, оповещающим об этом ЭВМ и называемым запросом прерывания. Прерывания могут порождаться внутренними и внешними событиями:

Внутренние – сбой в аппаратуре, переполнение разрядной сетки, деление на 0, выход из установленной зоны памяти, попытка обратиться к запрещенной зоне памяти, попытка обращения к защищенным программам операционной системы, сигнал от таймера и т.д.

Внешние – запрос от другой ЭВМ, сообщение от аварийных датчиков управляемого технологического процесса, запрос оператора, требование от ПУ операции обмена, запросы на обслуживание клавиатуры, мыши и т.д.

В общем случае запросы прерывания генерируются несколькими, развивающимися параллельно во времени процессами, которые в некоторый момент времени требуют вмешательства процессора. Общим во всех этих запросах является то, что моменты их поступления невозможно предусмотреть. Это существенно отличает процесс прерывания от рассмотренного ранее процесса передачи управления подпрограмме, происходящего в заранее известных точках основной программы.

 

 

Возможность прерывания – важное свойство ЭВМ, позволяющее эффективно использовать производительность процессора и, прежде всего, при организации параллельной работы процессора и периферийных устройств ЭВМ.

Для эффективной организации процесса прерывания и минимизации усилий программиста современные ЭВМ снабжены соответствующими программно-аппаратными средствами, которые получили название контроллера прерываний.

Контроллер прерываний в общем случае является достаточно сложным программируемым устройством, требующим соответствующей инициализации со стороны процессора. В процессе инициализации в управляющие регистры контроллера загружается информация о дисциплине обслуживания запросов прерывания, количестве используемых входов, режиме взаимодействия с процессором и т.д. Обычно инициализация контроллера выполняется при запуске вычислительной системы. Однако большинство контроллеров прерываний допускают перепрограммирование и в процессе обработки программы, в частности, изменение дисциплины обслуживания поступающих запросов прерывания. Конструктивно контроллеры прерываний выполняются в виде отдельных специализированных БИС, но в ряде случаев могут быть встроены в другие устройства вычислительной системы. Простейшие контроллеры прерываний небольших микро-ЭВМ часто строятся на логических микросхемах общего назначения.

Основными функциями системы прерывания являются:

· запоминание состояния прерываемой программы и осуществление перехода к прерывающей программе;

· восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней.

Под термином состояние программы (процессора), строго говоря, следует понимать совокупность состояний всех запоминающих элементов (триггеров, регистров, ячеек памяти) в соответствующий момент времени (например, после выполнения микрокоманды, команды, программы). Однако не вся эта информация искажается при переходе к другой команде или программе. Поэтому из всего многообразия информации о состоянии программы (процессора) отбирают наиболее существенные ее элементы, изменяющиеся при переходе к другой команде или программе.

Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для запуска программы с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора состояния. При этом предполагается, что другая информация о состоянии узлов процессора либо не существенна, либо может быть восстановлена программным путем.

Вектор состояния формируется в соответствующих регистрах процессора, изменяясь после выполнения каждой команды. Наборы информационных элементов, образующих вектор состояния, отличаются у ЭВМ разных типов и зависят от сложности процессора. В простейших процессорах эти наборы невелики. Например, в процессоре КР580ВМ80 (I8080) вектор состояния состоит из содержимого счетчика адреса команд (16 бит), содержимого регистра признаков (8 бит) и содержимого аккумулятора (8 бит). В более сложных процессорах вектор состояния может содержать существенно большее количество элементов.

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

При рассмотрении систем прерывания очень широко используется также термин вектор прерывания, который является ни чем иным, как вектором начального состояния прерывающей программы (обработчика). Вектор прерывания содержит всю необходимую информацию для перехода к обработчику, в том числе его начальный адрес. Каждому уровню прерываний (см. п. 5.1), а в простых ЭВМ каждому входу прерывания (периферийному устройству) соответствует свой вектор прерывания, который инициализирует выполнение соответствующего обработчика. Обычно векторы прерывания хранятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти с короткими адресами. Таким образом, для перехода к соответствующей прерывающей программе процессор должен располагать не только вектором прерывания, но и адресом этого вектора.

Следует иметь в виду, что понятие вектор прерывания достаточно условно, поскольку в абсолютном большинстве случаев вектор прерывания состоит только из одного элемента – начального адреса прерывающей программы (обработчика).

При наличии нескольких источников запросов должен быть установлен определенный порядок обслуживания поступающих запросов, т.е. должны быть установлены приоритетные соотношения (дисциплина обслуживания). Они определяют, какой из нескольких запросов, поступивших одновременно, подлежит обработке в первую очередь, имеет ли право данный запрос прерывать ту или иную программу и т.д. Все это входит в процедуру перехода к прерывающей программе.