Система прерываний программ в ПК

Важнейшая роль в реализации сложных режимов работы отводится системе прерывания программ.

Прерывание — это приостанов выполнения программы в процессоре с целью выполнения какой-то более важной или нужной в данный момент другой программы или процедуры, после завершения которой продолжается выполнение прерванной программы с момента ее прерывания. Прерывание позволяет компьютеру приостановить любое свое действие и временно переключиться на другое, как заранее запланированное, так и неожиданное, вызванное непредсказуемой ситуацией в работе машины или ее компонента. Каждое прерывание влечет за собой загрузку определенной программы, предназначенной для обработки возникшей ситуации — программы обработки прерывания.

Организация и управление прерываниями функционально во многом смыкается с управлением задачами — одной из базовых функций операционных систем. Основой для управления процессом одновременного решения нескольких задач (равно как и управления прерываниями) являются процедуры:

l выбора очередной задачи или определения приоритета задачи;

l сохранения информации о статусе задачи при ее прерывании (формирование слова состояния программы);

l упреждения и устранения конфликтов между задачами (координации и синхронизации выполнения задач).

Последовательность действий процессора при реализации прерывания такова.

При появлении запроса на прерывание, запланированное заранее или неожиданное, процессор, как правило, после завершения выполнения текущей команды программы анализирует допустимость (разрешенность и приоритетность) данного вида прерывания. Если оно разрешено, процессор производит следующие действия:

l запоминает в стековой памяти текущее состояние прерываемой программы (состояние некоторых регистров МПП, в частности регистров   F, CS, IP, а в микропроцессорах МП80286 и выше — и слова состояния программы, хранящегося в другом регистре МПП);

l посылает источнику запроса на прерывание запрос о причине (коде) прерывания;

l анализирует код запрошенного прерывания (номер прерывания — Ni) и формирует адрес ячейки (AV), хранящей вектор прерывания (вектор-адрес программы обработки прерывания) по формуле AV = 4·Ni (векторы прерываний занимают начальную 1024-байтовую область ОП с адресами ячеек от 00000 до 00400h (шестнадцатеричный код) так, что адрес вектора вычисляется простым умножением номера прерывания на четыре, так как CS и IP занимают по 2 байта каждый);

l считывает из ОП и записывает в регистры МПП (в регистры F, CS, IP) вектор прерывания и его атрибуты;

l сбрасывает (устанавливает в 0) флаги прерывания (IF) и трассировки (TF);

l выполняет программу обработки прерывания (которую иногда называют драйвером прерывания);

l после выполнения программы обработки прерывания возвращает из стековой памяти параметры прерванной программы в регистры МПП и восстанавливает процесс выполнения прерванной программы.

Видов (номеров) прерывания может быть всего 256, и, соответственно, векторов прерывания (адресов CS:IP программ обработки прерываний) в ОП насчитывается до 256. Классификация видов прерываний показана на рис. 18.4.

Рис. 18.4. Классификация видов прерываний

Прикладные прерывания временно устанавливаются пользователем при многопрограммной работе МП для указания приоритета выполнения прикладных программ (при появлении необходимости выполнения более приоритетной программы текущая менее приоритетная программа прерывается).

Псевдопрерывания служат для запоминания важных фиксированных адресов, которые могут быть использованы в программах, в частности, при условных и безусловных передачах управления (запоминание адресов передачи управления как векторов прерывания возможно благодаря аналогии выполнения прерывания и обращения к процедурам).

Аппаратные прерывания инициируются при обращениях к МП со стороны внешних устройств (таймера, клавиатуры, дисководов, принтера и т. д.) с требованием уделить им внимание и выполнить совместно с ними те или иные процедуры. Прерывания от таймера, например, повторяются 18 раз в секунду, от клавиатуры — при каждом программно не запланированном нажатии некоторых клавиш и т. п. Аппаратные прерывания не координируются с работой программы и могут быть весьма разнообразны. Для их систематизации и определения очередности выполнения при одновременном возникновении нескольких из них обычно используется контроллер прерываний.

Программные прерывания — это обычные процедуры, которые вызывает текущая программа для выполнения предусмотренных в ней стандартных подпрограмм, чаще всего подпрограмм — служебных функций работы с внешними устройствами, то есть фактически программные прерывания ничего не прерывают. Программные прерывания делятся на 2 большие группы, вызывающие служебные функции:

l базовой системы ввода-вывода — прерывания BIOS;

l операционной системы — прерывания DOS.

Программы обработки прерываний DOS, в отличие от программ обработки прерываний BIOS, не встроены в ПЗУ и для разных операционных систем могут быть разными. К программным прерываниям можно отнести также прерывания при пошаговом исполнении программы, при работе с контрольным остановом и т.д.

Технические прерывания (или, иначе, прерывания от схем контроля) возникают при появлении отказов и сбоев в работе технических средств ПК. Большинство технических прерываний не маскируются, то есть они разрешаются всегда, а некоторые из них относятся к категории «аварийных» (например, отключение питания), и при их возникновении даже не запрашивается причина прерывания, а просто, по возможности, спасаются важные промежуточные результаты — записываются в безопасное место, в НЖМД, например.

Логические прерывания возникают при появлении ошибок в выполняемых программах (деление на 0, потеря точности мантиссы, нарушение защиты памяти и т. п.). Многие из логических прерываний также относятся к категории немаскируемых.

Прерывания обслуживаются базовой системой ввода-вывода — модулем расширения BIOS и модулем обработки прерываний DOS. BIOS и блок расширения BIOS имеют дело в основном с не планируемыми техническими и логическими прерываниями, пользовательскими прикладными прерываниями, а также со многими планируемыми прерываниями, обслуживающими систему ввода-вывода, детализированными и не очень детализированными (прерывания, обслуживаемые BIOS, часто называют прерываниями нижнего уровня).

Модуль обработки прерываний DOS обслуживает в большинстве планируемые прерывания, в том числе и прерывания системы ввода-вывода. Прерывания DOS часто называют прерываниями верхнего уровня, так как, с одной стороны, в этих прерываниях меньше учитываются технические особенности элементов ПК, с другой стороны, при обработке этих прерываний часто случаются обращения к программам прерываний системы BIOS. Большинство прерываний BIOS имеют близкие аналоги среди прерываний DOS.

Следует сказать, что использование прерываний BIOS позволяет, как правило, более детализировано выполнить обращения к различным системным ресурсам ПК, к элементам информационных структур и их атрибутам. Однако прерывания DOS более просты в использовании при программировании. Поэтому начинающим программистам можно рекомендовать работать с прерываниями DOS, особенно с расширенными функциями DOS для работы с файлами. Схема организации приема запросов на прерывания показана на рис. 18.5.

Рис. 18.5. Организация приема запросов на прерывания

Для приема внешних прерываний имеются порты двух типов: NMI (None Masked Interrupt) для приема немаскируемых прерываний и INTR (Interrupt) — для приема прочих прерываний (INTR обычно используется для подсоединения контроллера прерываний). Если запрос на прерывание поступает по входу NMI, то прерывание не маскируется (имеет абсолютный приоритет) и сразу выполняется; по входу INTR прерывание разрешается, если в регистре флагов МПП флаг IF = 1.

Всего предусмотрено 256 типов (0–255) прерываний. Из них только первые 5 жестко закреплены в МП, остальные используются системами BIOS и DOS.

l Тип 0 — прерывание возникает при делении на 0 или если частное от деления переполняет разрядную сетку МП.

l Тип 1 — в режиме «трассировка» (при TF = 1) после выполнения каждой команды программы происходит останов.

l Тип 2 — немаскируемое техническое прерывание.

l Тип 3 — прерывание по команде INT, включенной в программу: останов и отображение содержимого регистров МПП.

l Тип 4 — прерывание по команде INTO, включенной в программу, но только если при выполнении предыдущей команды произошло переполнение разрядной сетки.

l Типы 8–15 — аппаратные прерывания, инициируемые внешними устройствами, поступают на входы IRQ0–IRQ7 контроллера прерываний (вход IRQ0 имеет высший приоритет, и прерывание, поступившее по этому входу, обрабатывается первым; всего уровней приоритета 8 и вход IRQ7 имеет низший приоритет).

l Типы 16–31 — планируемые программные прерывания BIOS.

l Типы 32–255 — программные прерывания DOS (жестко задействовано около 10, а вообще в разных версиях DOS их разное количество).

Прерывания с 0 по 31 и прерывание 64 относятся к прерываниям нижнего уровня, обслуживаемым BIOS; прерывания, начиная с 32 — являются прерываниями верхнего уровня (за исключением прерывания 64); причем прерывание 33 (21h) — это комплексное, чаще всего используемое в программах пользователя прерывание, имеющее около 100 разновидностей (служебных функций DOS).

В некоторых типах прерываний BIOS и DOS имеется много разных функций, иногда более 10. Так, прерывание 10 (Ah) включает 15 функций, прерывание 33 (21h) — около 100 функций: в DOS 1.0 — 47, в DOS 2.0 — 88, в DOS 3.0 и выше — 99 функций (вид функции в рамках каждого прерывания определяется содержимым регистра AH).

В работе [8] приведен список прерываний нижнего и верхнего уровня, а также служебных функций DOS наиболее часто используемого программистами прерывания 21h.