Прерывания, исключения и механизм их обработки

Исключения и прерывания обеспечивают принудительную передачу управления специальной процедуре – обработчику системных прерываний, который выполняет определённые действия. После завершения действий обработчик прерывания возвращает управление прерванной программе. Она должна продолжить выполнение прерванного процесса в том же самом состоянии, в котором находилась в момент прерывания. Обработчик прерываний отличается от обычной процедуры тем, что вместо связывания с конкретной программой, он размещается в фиксированной области памяти.

Исключение – это особый тип вызова процедуры, который происходит при определённом условии – важном, но редко встречающемся. Наиболее распространенными условиями, которые могут вызвать исключения, являются переполнение и исчезновение значащих разрядов при операциях с плавающей точкой, а также переполнение при операциях с целыми числами, нарушение защиты, неопределяемый код операции, переполнение стека, попытка запустить несуществующее УВВ, попытка вызвать слово из ячейки с нечётным адресом, деление на ноль. Если результат находится в пределах допустимого, исключение не возникает. Важно отметить, что этот вид прерывания вызывается каким-то исключительным условием, вызванным самой программой и обнаруженным аппаратным обеспечением или микропрограммой. Исключения, в свою очередь, подразделяются на сбои, ловушки и аварийные завершения.

Сбой (отказ) – это исключение, сообщение о котором выдаётся на границе команды, предшествующей команде, вызвавшей это исключение. После сообщения о сбое состояние ВМ восстанавливается в ситуацию, когда можно выполнить рестарт команды. Примером сбоя может служить обращение к несуществующему УВВ.

Ловушка – это исключение, сообщение о котором выдаётся на границе команды, непосредственно расположенной после команды, для которой было обнаружено данное исключение. Например, переполнение при обработке целых чисел.

Аварийное завершение – это исключение, не позволяющее ни точно определить команду, вызвавшую его, ни перезапустить программу, в которой произошло данное исключение. Аварийные завершения используются для сообщения о серьёзных ошибках: аппаратных ошибках, противоречивых или недопустимых значениях в системных таблицах.

Прерывания – это изменения в потоке управления, вызванные не самой программой, а какими-то асинхронными событиями, и связанные обычно с процессом ввода – вывода. Прерывания дают возможность осуществлять операции ввода – вывода независимо от процессора. Поскольку быстродействие микропроцессора выше, чем УВВ, то процессор имеет возможность выполнять другие программы или осуществлять другие функции вместо постоянного контроля состояния присоединённых к нему периферийных устройств. Когда УВВ требует обслуживания со стороны процессора, оно сообщает ему об этом путём формирования соответствующего запроса (сигнала), по которому процессором может быть прервано выполнение текущей программы. Управление прерываниями от УВВ осуществляется контроллером прерываний, который подключён к процессору и структурно входит в его состав.

Различие между исключениями и прерываниями заключается в том, что исключения синхронны по отношению к программе, а прерывания – асинхронны. Исключения вызываются программой непосредственно, а прерывания – опосредованно. Если многократно перезапускать программу с одними и теми же входными данными, то исключения будут возникать всякий раз в одних и тех же местах программы, а прерывания – нет.

Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы, процессор может иметь систему защиты от прерываний: отключение системы прерываний, запрет или маскирование отдельных сигналов прерываний. Программное управление этими средствами позволяет операционной системе регулировать обработку сигналов прерываний. Процессор может либо обрабатывать прерывания сразу по их приходу, либо откладывать их обработку на некоторое время, либо полностью игнорировать. Например, если установлен в единицу флажок трассировки TF, то процессор выполняет одну команду программы, а затем генерирует прерывание типа 1, т.е., программа выполняется по шагам. Если сброшен флаг прерываний IF, то процессор не реагирует на внешние прерывания (за исключением немаскируемых). Для маскирования отдельных прерываний используется регистр масок. Управляется командами CLI (запретить прерывания) и STI (разрешить прерывания).

С каждым отдельным типом прерывания или исключением связан идентифицирующий его номер в диапазоне от 0 до 255 и соответствующий обработчик. Исключениям и немаскируемым прерываниям присвоены номера из интервала от 0 до 31, а маскируемым прерываниям – от 32 до 255. Не все из этих значений используются процессорами в настоящее время; неназначенные номера зарезервированы для использования в будущем. Номера прерываний, исключений и адреса (векторы) соответствующих обработчиков хранятся в специальной таблице – таблице векторов прерываний, расположенной в памяти. При возникновении прерывания или исключения по его номеру в таблице векторов прерываний определяется адрес соответствующей процедуры обработки прерывания или исключения, к которой осуществляется переход. Рассмотрим более подробно, каким образом выполняется вызов и возврат из обработчика прерываний или исключений.

Механизмы обработки прерываний и исключений во многом схожи, но есть некоторые отличия, связанные с возвратом из обработчика. Механизм обработки прерываний включает в себя следующие этапы:

1. Установление факта прерывания.

2. Запоминание в стеке состояния прерванного процесса, которое определяется содержимым регистра флагов PSW, счётчика команд IP, сегментного регистра CS. При необходимости, также запоминается содержимое регистров, которые будут использоваться процедурой прерывания и, следовательно, изменяться. Некоторые типы исключений и прерываний также помещают в стек код ошибки для того, чтобы диагностировать причину, вызвавшую исключение.

3. Определение адреса процедуры обработки прерывания по номеру прерывания в таблице векторов прерываний и осуществление перехода к этому обработчику путём загрузки адреса в регистры CS и IP.

4. Обработка прерывания. Процедура обработки прерывания выполняет свои команды.

5. Восстановление состояния прерванной программы. После успешного выполнения процедуры обработки прерывания при достижении команды IRET (этой командой завершаются обработчики прерываний) из стека восстанавливается старое содержимое сохраненных в нём регистров (старое состояние), в т.ч. и адрес возврата – значения регистров CS и IP.

6. Возврат в прерванную программу. На основании адреса возврата осуществляется переход к прерванному процессу. Возврат должен осуществляться на команду, следующую за командой, выполненной до возникновения прерывания. Процедура обработки прерываний, обладающая таким свойством, называется прозрачной.

При возникновении сбоя адрес возврата является адресом команды, вызвавшей сбой, поэтому возврат осуществляется снова к этой команде для попытки её повторного выполнения (рестарта). Обработка ловушек аналогична обработке прерываний. При аварийных завершениях вычислительный процесс завершается без возможности восстановления исходного состояния программы, в которой произошло данное исключение.

Поскольку сигналы прерываний возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерываний, которые могут быть обработаны только последовательно. Для этого прерываниям присваиваются приоритеты. Существуют две дисциплины обслуживания приоритетных прерываний: 1) прерывание с более высоким приоритетом может прервать обработку прерывания с более низким приоритетом; 2) прерывание с более низким приоритетом обслуживается до конца, после чего обрабатывается прерывание с более высоким приоритетом.