Внутренние прерывания в программировании плюсы и минусы. AVR

Лекция№12

Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i 80 x 86.

Работа системы прерываний в реальном режиме

Вопросы

1. Понятие прерывания

2. Классификация прерываний

3. Система прерываний.

· Аппаратные средства

· Программные средства системы прерываний

· Таблица векторов прерываний

4. Обработка прерывания в реальном режиме

Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы.

Т.е. это процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возвратом к прерванной программе.

Нажимая клавишу на клавиатуре, мы инициируем немедленный вызов программы, которая распознает клавишу, заносит ее код в буфер клавиатуры, из которого он считывается другой программой. Т.е. на некоторое время микропроцессор прерывает выполнение текущей программы и переключается на программу обработки прерывания, так наз. обработчик прерывания . После того, как обработчик прерывания завершит свою работу, прерванная программа продолжит выполнение с точки, где было приостановлено ее выполнение.

Адрес программы-обработчика прерывания вычисляется по таблице векторов прерываний.

Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне.

Классификация прерываний

В зависимости от источника, прерывания делятся на

· аппаратные - возникают как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства (клавиатура, системные часы, клавиатура, жесткий диск и т.д.), по времени возникновения эти прерывания асинхронны, т.е. происходят в случайные моменты времени;

· программные - вызываются искусственно с помощью соответствующей команды из программы ( int ), предназначены для выполнения некоторых действий операционной системы, являются синхронными;

· исключения - являются реакцией микропроцессора на нестандартную ситуацию, возникшую внутри микропроцессора во время выполнения некоторой команды программы (деление на ноль, прерывание по флагу TF (трассировка)).

Общая классификация прерываний

· внешние - вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями

(по существу - это группа аппаратных прерываний) Вложенных прерываний нет!

· внутренние - возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса (по существу - это исключительные ситуации и программные прерывания).

Внешние прерывания возникают по сигналу какого-нибудь внешнего устройства.

Внешние прерывания подразделяются на не­маскируемые и маскируемые.

В связи с тем, что существуют два специальных внешних сигнала среди входных сигналов процес­сора, при помощи которых можно прервать выполнение текущей программы и тем самым переключить работу центрального процессора. Это сигналы NMI (no mask interrupt , немаскируемое прерывание) и INTR (interrupt request , запрос на прерывание).

Маскируемые прерывания генерируются контроллером прерываний по заявке определенных периферийных устройств. Контроллер прерываний (выполнен в виде специальной микросхемы i8259A) поддерживает восемь уровней (линий) приоритета; к каждому уровню “привязано” одно периферийное устройство. Именно маскируемые прерывания часто называют аппаратными прерываниями .

В ПК, начиная с IBM PC AT, построенных на базе микропроцессора i80286, используются два контроллера прерываний i8259A; они соединяются последователь­но каскадным образом, что увеличивает количество внешних источников прерываний до 15 (каждая по 8).

Обратим внимание . Микросхема i 8259А является программируемой.

Немаскируемые прерывания (говорят, что оно одно, т.к. подается на вывод микропроцессора NMI ) инициируют источники, требующие безотлагательного вмешательства со стороны микропроцессора.

В реальном и защищенном режиме работы микропроцессора обработка прерываний осуществляется принципиально разными методами.

Система прерываний. Аппаратные и программные средства системы прерываний

Система прерываний - это совокупность программных и аппаратных средств, реализующих механизм прерываний.

К аппаратным средствам системы прерываний относятся:

· выводы микропроцессора - на них формируются сигналы, извещающие микропроцессор либо о том, что некоторое внешнее устройство «проситуделить ему внимание» ( INTR) , либо о том, что требуется безотлагательная обработка некоторого события или катастрофическая ошибка (NMI)

· INTR - вывод для входного сигнала запроса на прерывание ,

· NMI - вывод для входного сигнала немаскируемого прерывания

· INTA - вывод для выходного сигнала подтверждения получения сигнала прерывания микропроцессором (этот сигнал поступает на одноименный вход микросхемы конроллера 8259А;

· программируемый контроллер прерываний 8259А (предназначен для фиксирования сигналов прерываний от восьми различных внешних устройств; он выполнен в виде микросхемы; обычно используют две последовательно соединенные микросхемы, поэтому кол-во возможных источников внешних прерываний до 15 плюс одно немаскируемое прер.; именно он формирует номер вектора прерывания и выдает его шину данных);

· внешние устройства (таймер, клавиатура, магнитные диски и т.п.)

К программным средствам системы прерываний Реального режима относятся:

· таблица векторов прерываний .

Занимает первый килобайт ОП (адреса 00000 h-003FFh) .

Она содержит адреса (векторы - «векторы», т.к. два значения для указания адреса) обработчиков прерываний и состоит из 256 (0..255) элементов по 4 байта каждый:

2 байта - новое значение для регистра IP

2 байта - новое значение для регистра CS .

Расположение таблицы векторов прерываний в процессорах i80286 и старше определяется значением регистра IDTR .

Таблица векторов прерываний инициализируется при запуске системы, но в принципе может быть изменена и перемещена.

Каждый вектор имеет свой номер и называется номером прерывания.

· два флага в регистре флагов flags/eflags :

· IF (Interrupt Flag) - флаг прерывания. Предназначен для маскирования (запрещения) аппаратных прерываний. Если IF=1 , микропроцессор обрабатывает внешние прерывания, если = 0, то игнорирует;

· TF(Trace Flag) - флаг трассировки. Если он=1, то микропроцессор переходит в режим покомандной работы. В этом режиме в микропроцессоре генерируется внутреннее прерывание с номером 1;

· машинные команды микропроцессора: int, into (прерывание по переполнению) , iret, cli, sti

Обработка прерывания в реальном режиме

производится в три этапа:

1) прекращение выполнения текущей программы;

Должно произойти так, чтобы потом вернуться и продолжить работу. Для этого необходимо сохранить содержимое регистров, так как они являются ресурсами, разделяемыми между программами.

Обязательными для сохранения являются регистры cs, ip, flags (пара CS:IP содержит адрес команды, с которой необходимо начать выполнение после возврата, flags - состояние флагов после выполнения последней команды прерванной программы).

!!! Эти регистры сохраняются микропроцессором автоматически. Сохранение остальных регистров - должно обеспечиваться программистом!!!

Наиболее удобным местом хранения регистров является стек.

После сохранения регистров в стеке микропроцессор сбрасывает бит флага IF (т.е.=0)(!!! В стеке при этом записан регистр flags с еще установленным IF !!!)Этим предотвращается возможность возникновения вложенных внешних прерываний и порча регистров исходной программы вследствие неконтролируемых действий со стороны программы - обработчика вложенного прерывания. После того как необходимые действия по сохранению контекста завершены, обработчик аппаратного прерывания может разрешить вложенные прерывания командой sti .

2) переход к выполнению и выполнение программы обработки прерывания;

Здесь определяется источник прерывания и вызывается соответствующий обработчик прерывания.

В реальном режиме микропроцессора допускается 256 источников - по кол-ву элементов таблицы векторов прерываний.

Структура элемента:

· 2 байта - значение смещения начала программы-обработчика прерывания от начала кодового сегмента

· 2 байта - значение базового адреса сегмента, в котором находится программа-обработчик.

Как определить адрес, по которому находится вектор прерывания с номером N ?

смещение эл-та таблицы векторов прерываний= N * 4

Полный размер таблицы?4*256=1024

Итак на втором этапе микропроцессор

1. По номеру источника прерывания определяет смещение в таблице векторов прерываний

2. Помещает первые два байта в регистр IP

3. Помещает вторые два байта в регистр CS

4. Передыет управление по адресу CS:IP

(Она тоже может быть прервана поступлением запроса от более приоритетного источника. Все источники прерывания имеют приоритеты.)

3) возврат управления прерванной программе.

Необходимо привести стек в состояние, в котором он был сразу после передачи управления данной процедуре. Для этого программист должен указать необходимые действия по восстановлению регистров и очистке стека. !! Этот участок необходимо защитить от возможного искажения содержимого регистров (в результате появления аппаратного прерывания) с помощью команды cli .

Последние команды в в обработчике прерывания - sti, iret

sti - разрешить аппаратные прерывания (устанавливает флаг IF=1 , не имеет операндов) .

iret - извлечь последовательно три слова из стека и поместить их соответственно в регистры ip, cs, flags.

Прерывание (interrupt) – событие, 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 завершении этой программы процессор возвращается к выполнению прерванной программы.

Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом прерывания , оповещающим об этом вычислительную машину, и называемым запросом прерывания .

Состояние программы представляет собой совокупность состояний всех запоминающих элементов в соответствующий момент времени (например, после выполнения последней команды). При возникновении прерывания микроконтроллер сохраняет в стеке содержимое счетчика команд и загружает в него адрес соответствующего вектора прерывания. Последней командой подпрограммы обработки прерывания должна быть команда, которая осуществляет возврат в основную программу и восстановление предварительно сохраненного счетчика команд. Во время выполнения обработчика прерывания некоторая информация может подвергнуться изменению. Поэтому при переходе к обработчику прерывания необходимо сохранить элементы, подвергающиеся изменению. Набор таких элементов представляет собой вектор состояния программы . При этом другая информация о состоянии ячеек памяти не существенна или может быть восстановлена программным путем.

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

Вектор прерывания является вектором начального состояния прерывающей программы (обработчика) и содержит всю необходимую информацию для перехода к обработчику, в том числе его начальный адрес. Каждому типу прерываний соответствует свой вектор прерывания, который инициализирует выполнение соответствующего обработчика. Обычно векторы прерывания хранятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти с короткими адресами, представляющих собой таблицу векторов прерываний . Для перехода к соответствующей прерывающей программе процессор должен располагать вектором прерывания и адресом этого вектора. По этому адресу, как правило, находится команда безусловного перехода к подпрограмме обработки прерывания.

Как правило, управление запоминанием и возвратом возложено на обработчик прерывания. В этом случае обработчик состоит из трех частей – подготовительной (пролог ) и заключительной (эпилог ), обеспечивающих переключение программ, и собственно прерывающей программы, выполняющей затребованные запросом операции. Время реакции определяется как временной интервал от момента поступления запроса прерывания до начала выполнения прерывающей программы.

t p – время реакции системы на прерывание;
t з – время запоминания состояния прерываемой программы;
t ппр – время собственно прерывающей программы;
t в – время восстановления состояния прерванной программы

При наличии нескольких источников запросов должен быть установлен определенный порядок обслуживания поступающих запросов, называемый приоритетными соотношениями или дисциплиной обслуживания . Совокупность всех возможных типов прерывания процессора представляет собой систему прерывания микроконтроллера. Дисциплина обслуживания определяет, какой из нескольких запросов, поступивших одновременно, подлежит обработке в первую очередь, и имеет ли право данный запрос прерывать тот или иной обработчик прерывания.
В случае если во время обработки прерывания поступает запрос на прерывание с более высоким уровнем приоритета, управление передается обработчику прерывания более высокого приоритета, при этом работа обработчика прерывания с более низким уровнем приоритета приостанавливается. Возникает вложенность прерываний . Максимальное число программ, которые могут приостанавливать друг друга называется глубиной прерываний .

Если запрос прерывания окажется не обслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника (того же приоритета), то возникает насыщение системы прерываний . При этом часть запросов прерывания будет утрачена, что для нормальной работы микроконтроллера недопустимо.

Характеристиками системы прерывания являются:

• общее количество запросов прерывания – количество источников запросов прерывания;
• тип представления прерывания – как правило, запрос прерывания представлен логическим уровнем сигнала;
• приоритет прерывания – определяет очередность обработки каждого запроса прерывания, чем выше приоритет, тем меньше задержка в исполнении прерывающей программы для него;
• время реакции – временной интервал между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы;
• задержка прерывания – определяется суммарным временем на запоминание и восстановление программы;
• глубина, обычно совпадает с числом уровней приоритетов в системе прерывания;
• насыщение системы прерывания;
• допустимые моменты прерывания программ (как правило, окончание выполнения следующей команды).

Маскирование прерываний используется для сообщения микроконтроллеру о необходимости реагировать на каждый тип прерывания или игнорировать его. Маска прерывания представляет двоичный код, разряды которого поставлены в соответствие источникам запроса прерываний. Единичный бит в двоичном коде сообщает микроконтроллеру о необходимости обработки прерываний такого типа. Нулевой бит напротив не позволяет микроконтроллеру переходить к обработке прерываний указанного типа.
Как правило, кроме маскирования прерываний, существует также бит глобального разрешения прерываний, нулевое значение которого отключает все обработчики прерываний (кроме аппаратного сброса и перехода к началу исполняемой программы).
Кроме двоичного кода маски прерываний существует также двоичный код флагов прерываний , который позволяет обработчику прерываний установить источник возникновения прерывания в случае если источников с указанным запросом в микроконтроллере несколько.

Для обработки событий, происходящих асинхронно по отношению к выполнению программы, лучше всего подходит механизм прерываний .

Прерывание можно рассматривать как некоторое особое событие в системе, требующее моментальной реакции. Например, хорошо спроектированные системы повышенной надежности используют прерывание по аварии в питающей сети для выполнения процедур записи содержимого регистров и оперативной памяти на магнитный носитель, с тем чтобы после восстановления питания можно было продолжить работу с того же места.

Кажется очевидным, что возможны самые разнообразные прерывания по самым различным причинам. Поэтому прерывание рассматривается не просто как таковое, с ним связывают число, называемое номером типа прерывания или просто номером прерывания. С каждым номером прерывания связывается то или иное событие. Система умеет распознавать, какое прерывание, с каким номером произошло и запускает соответствующую этому номеру процедуру.

Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. Это так называемые программные прерывания. Программные прерывания не являются асинхронными, так как вызываются из программы (а она-то знает, когда она вызывает прерывание!).

Программные прерывания удобно использовать для организации доступа к отдельным, общим для всех программ модулям. Например, программные модули операционной системы доступны прикладным программам именно через прерывания, и нет необходимости при вызове этих модулей знать их текущий адрес в памяти. Прикладные программы могут сами устанавливать свои обработчики прерываний для их последующего использования другими программами. Для этого встраиваемые обработчики прерываний должны быть резидентными в памяти.

Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и приходят асинхронно. Эти прерывания информируют систему о событиях, связанных с работой устройств, например о том, что наконец-то завершилась печать символа на принтере и неплохо было бы выдать следующий символ, или о том, что требуемый сектор диска уже прочитан его содержимое доступно программе. Использование прерываний при работе с медленными внешними устройствами позволяют совместить ввод/вывод с обработкой данных в центральном процессоре и в результате повышает общую производительность системы. Некоторые прерывания (первые пять в порядке номеров) зарезервированы для использования самим центральным процессором на случай каких-либо особых событий вроде попытки деления на ноль, переполнения и т.п.

Иногда желательно сделать систему нечувствительной ко всем или отдельным прерываниям. Для этого используют так называемое маскирование прерываний . Но некоторые прерывания замаскировать нельзя, это немаскируемые прерывания.

Заметим еще, что обработчики прерываний могут сами вызывать программные прерывания, например, для получения доступа к сервису BIOS или DOS (сервис BIOS также доступен через механизм программных прерываний).

Составление собственных программ обработки прерываний и замена стандартных обработчиков DOS и BIOS является ответственной и сложной работой. Необходимо учитывать все тонкости работы аппаратуры и взаимодействия программного и аппаратного обеспечения. При отладке возможно разрушение операционной системы с непредсказуемыми последствиями, поэтому надо очень внимательно следить за тем, что делает Ваша программа.

Для того чтобы связать адрес обработчика прерывания с номером прерывания, используется таблица векторов прерываний , занимающая первый килобайт оперативной памяти - адреса от 0000:0000 до 0000:03FF. Таблица состоит из 256 элементов - FAR-адресов обработчиков прерываний. Эти элементы называются векторами прерываний . В первом слове элемента таблицы записано смещение, а во втором - адрес сегмента обработчика прерывания.

Прерыванию с номером 0 соответствует адрес 0000:0000, прерыванию с номером 1 - 0000:0004 и т.д.

Инициализация таблицы происходит частично BIOS после тестирования аппаратуры и перед началом загрузки операционной системой, частично при загрузке DOS. DOS может переключить на себя некоторые прерывания BIOS.

Рассмотрим содержимое таблицы векторов прерываний. Приведем назначение некоторых наиболее важных векторов: