Оценка эффективности системы прерываний

(слайд 15) Для оценки эффективности систем прерывания могут быть использованы следующие характеристики:

- время реакции;

- глубина прерывания (количество уровней прерывания);

- насыщение системы прерывания (наличие очереди);

- допустимые моменты прерывания программ.

Время реакции – это время между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы. На рисунке 14.3 это время обозначено . Для одного и того же запроса задержки в исполнении прерывающей программы зависят от того, сколько программ со старшим приоритетом ждет обслуживания. Поэтому время реакции определяют для запроса с наивысшим приоритетом.

Глубина (количество уровней) прерывания – максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга.

Если после перехода к прерывающей программе и вплоть до ее окончания прием других запросов запрещается, то система имеет один уровень прерывания (рисунок 14.4).

(слайд 16)

 

Рисунок 14.4 – Прерывание в системах с различной глубиной прерывания

 

Глубина равна п, если допускается последовательное прерывание до п программ. На рисунке 14.4 показано прерывание в многоуровневых системах прерывания (предполагается, что приоритет каждого следующего запроса выше предыдущего). (слайд 17) Системы с большим значением глубины прерывания обеспечивают более быструю реакцию на срочные запросы.

К одному уровню прерывания обычно относят не один, а несколько запросов, близких по степени важности событий. Исполнение программ одного уровня (класса) прерываний осуществляется как в одноуровневой СП, т. е. по очереди.

Насыщение системы прерывания возникает, если время реакции настолько велико, что текущий запрос окажется необслуженным к моменту прихода нового запроса от этого же источника. В этом случае один запрос прерывания от данного источника будет системой утрачен, что является недопустимым. Быстродействие ЦВМ, логические возможности системы прерывания и количество источников прерывания должны быть согласованы таким образом, чтобы насыщение было невозможным.

Допустимые моменты прерывания программ. Большей частью прерывание допускается после окончания любой текущей команды. В этом случае необходимо запоминание состояния программы, т. е. содержимого всех программно доступных регистров, так как они могут быть изменены прерывающей программой.

Время реакции определяется в основном длительностью выполнения одной команды. Это время реакции может оказаться недопустимо большим для БЦВМ т. к. они работают в реальном масштабе времени. Поэтому иногда допускается прерывание после любого такта выполнения команды. Однако в этом случае возрастает количество информации, подлежащей запоминанию и восстановлению при переключении программ. Помимо состояния прерванной программы, необходимо сохранить также и состояние процессора в момент прерывания (содержимое счетчика команд, счетчика тактов, регистра команд и т. д.). Поэтому такая организация прерывания возможна лишь в машинах со сверхоперативной памятью.

(слайд 18) Таким образом СП выполняют следующие функции:

- запоминание состояния прерываемой программы;

- приоритетный выбор запроса для исполнения из группы поступивших запросов прерывания и организацию перехода к прерывающей программе;

- восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней;

- программное изменение приоритетов запросов.

Принципиально важным является то, что моменты возникновения событий, требующих прерывания программ, не известны и поэтому не могут быть заранее учтены при программировании.

(слайд 19) СП есть совокупность аппаратных и программных средств.

Аппаратные прерывания – штатные ситуации, в которых запросы на прерывания формируются ВУ. Извне могут поступать также сигналы аварийных ситуаций в управляемых объектах, неисправности источников питания и др. Если запрос формируется командами программы, то говорят о программных прерываниях.

Аппаратная часть СП представлена на рисунке 14.5.

(слайд 21) Она включает в себя следующие узлы:

– регистр сигналов прерывания (РСП), предназначенный для запоминания поступающих сигналов;

– регистр масок (РМ), предназначенный для хранения сигналов, разрешающих или запрещающих исполнение сигналов прерывания;

– схему анализа приоритетов (САП), которая выделяет только 1 сигнал прерывания с наивысшим приоритетом в текущий момент времени и записывает в разряд РП;

– исполнительный регистр прерываний (ИРП), в котором в единичном состоянии может находиться только один разряд, соответствующий выбранному сигналу прерывания с наивысшим приоритетом;

– формирователь адреса (ФА), который в зависимости от состояния ИРП вырабатывает начальный адрес подпрограммы обработки прерывания.

(слайд 20)

 

Рисунок 14.5 – Аппаратная часть системы прерываний

 

Регистры РСП и РМ являются программно доступными, то есть по определенным командам в них можно записывать информацию.За каждым сигналом прерывания закрепляется один разряд РСП и один разряд РМ. При поступлении сигнала прерывания РСП находится в единичном состоянии, если в единичном состоянии находится триггер РМ с тем же номером.

Сформированный в ФА по сигналу прерывания адрес ПОП подается в регистр адресов команд для выборки из ПЗУ первой команды соответствующей ПОП.

Обмен информацией с прерыванием программы существенным образом экономит время процессора, затрачиваемое на обмен. Это происходит за счет того, что исчезает необходимость в организации программных циклов ожидания готовности ВУ, на выполнение которых тратится значительное время. Прерывания по запросам от медленно действующих ВУ увеличивают производительность системы, позволяя ВУ занимать время процессора только при их готовности к обмену. Когда ВУ нуждается в обслуживании, оно устанавливает триггер запроса прерывания, и сигнал запроса сохраняется, пока не будет воспринят и обработан процессором.

Эта важная особенность обмена с прерыванием программы позволяет организовать обмен данными с ВУ в произвольные моменты времени, не зависящие от программы, выполняемой в микро-ЭВМ. Таким образом, появляется возможность обмена данными с ВУ в реальном масштабе времени, определяемом внешней по отношению к микроЭВМ средой.

Прерывание программы по требованию ВУ не должно оказывать на прерванную программу никакого влияния кроме увеличения времени ее выполнения за счет приостановки на время выполнения подпрограммы обработки прерывания.

(слайд 22) Обычно задача сохранения содержимого счетчика команд и регистра состояния процессора возлагается на аппаратные средства обработки прерывания. Сохранение содержимого других регистров процессора, используемых в подпрограмме обработки прерывания, производится непосредственно в подпрограмме. Отсюда следует достаточно очевидный факт: чем больший объем информации о прерванной программе сохраняется программным путем, тем больше время реакции микро-ЭВМ на сигнал прерывания, и наоборот. Предпочтительными с точки зрения повышения производительности микроЭВМ (сокращения времени выполнения подпрограмм обработки, а, следовательно, и основной программы) являются уменьшение числа команд, обеспечивающих сохранение информации о прерванной программе, и реализация этих функций аппаратными средствами.

Формирование сигналов прерываний – запросов ВУ на обслуживание происходит в контроллерах соответствующих ВУ. В простейших случаях в качестве сигнала прерывания может использоваться сигнал "Готовность ВУ", поступающий из контроллера ВУ в системный интерфейс микро-ЭВМ. Однако такое простое решение обладает существенным недостатком – процессор не имеет возможности управлять прерываниями, т. е. разрешать или запрещать их для отдельных ВУ. В результате организация обмена данными в режиме прерывания с несколькими ВУ существенно усложняется.

Для решения этой проблемы регистр состояния и управления контроллера ВУ (рисунок 14.6) дополняют еще одним разрядом – "Разрешение прерывания". Запись 1 или 0 в разряд "Разрешение прерывания" производится программным путем по одной из линий ШД системного интерфейса. Управляющий сигнал системного интерфейса "Запрос на прерывание" формируется с помощью схемы совпадения только при наличии единиц в разрядах "Готовность ВУ" и "Разрешение прерывания" регистра состояния и управления контроллера.