36. На какие классы делятся виды прерываний в ia-32?
Существуют два основных вида прерывания: программное прерывание и аппаратное
прерывание.
Программное прерывание реализуется введением специальных команд прерывания в
систему команд процессора. Введение таких специальных команд позволяет создавать
гибкие и мощные программные средства (например, операционные системы).
Аппаратные прерывания могут инициироваться как операционными блоками
микропроцессора, так и устройствами внешними по отношению к нему. Аппаратные
прерывания подразделяются на маскируемые прерывания и немаскируемые прерывания.
Маскируемые прерывания реализуется только при условии разрешения прерывания.
Процессор реагирует на запросы маскируемых прерываний по линии INT, если установлен
внутренний триггер разрешения прерываний INTE, называемой также маской. На рис.3.3
приведена функциональная внутренняя схема прерываний.
Состояние триггера разрешения прерывания INTE идентифицируется выходным
сигналом разрешения прерывания с такой же мнемоникой INTE. Если INTE=0, прерывания
запрещены (замаскированы) и процессор не реагирует на сигнал INT=1. С помощью команд
разрешения EI и запрещения DI прерываний можно программно управлять состоянием
триггера INTE, и пользователь может защитить от прерываний критические сегменты
прикладной программы.
При восприятии прерывания триггер прерывания IFF переводиться в нулевое
состояние, что приводит к запрещению инкремента программного счетчика и генерированию
сигнала подтверждения прерывания INTA.
При этом сбрасывается триггер INTE и в дальнейшем разрешить прерывание можно
только командой EI. Для программного управления ПУ в их регистрах управления и
состояния предусмотрен специальный бит INTEN разрешения прерывания (маска). Иногда
биты масок всех устройств объединяются в специальный регистр. Наконец, в некоторых
микропроцессорах бит маскирования прерывания входит в слово состояния процессора PSW.
Немаскируемые прерывания реализуют режим безусловного прерывания.
Микропроцессор воспринимает запросы прерывания независимо от того, в каком состоянии
находится триггер разрешения прерывания. Эти прерывания должны отражать ситуации, в
которых желательно немедленное прерывание (например, ошибка аппаратуры контроля,
уменьшение напряжения сети до критического уровня и т.д.).
37. Какие события вызываю программные прерывания?
Программное прерывание — синхронное прерывание, которое может осуществить программа с помощью специальной инструкции
38. Какие типы программных прерываний существуют в ia-32?
Типы прерываний
Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на 4 группы:
Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и возникают по отношению к программе асинхронно, т.е. в общем случае невозможно предсказать, когда и по какой причине программа будет прервана.
Аппаратные прерывания не координируются c работой программного обеспечения. Когда вызывается прерывание, то процессор оставляет свою работу, выполняет прерывание, a затем возвращается на прежнее место.
Внешние прерывания возникают по сигналу какого-либо внешнего устройства например:
Прерывание, которое информирует систему о том, что требуемый сектор диска уже прочитан, его содержимое доступно программе.
Прерывание, которое информирует систему о том, что завершилась печать символа на принтере и необходимо выдать следующий символ.
Прерывания по нарушению питания.
Нормальное завершение некоторой операции ввода-вывода (нажатие клавиши на клавиатуре).
Прерывание по таймеру.
Прерывание по таймеру вызывается интервальным таймером. Этот таймер содержит регистр, которому может быть присвоено определенное начальное значение посредством специальной привилегированной команды. Значение этого регистра автоматически уменьшается на 1 по истечении каждой миллисекунды времени. Когда это значение становятся равным нулю, происходит прерывание по таймеру. Подобный интервальный таймер используется операционной системой для определения времени, в течение которого программа пользователя может оставаться под управлением машины.
Маскируемые и немаскируемые внешние прерывания
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 (Non Mascable Interrupt, немаскируемое прерывани) INTR (interrupt request, запрос на прерывание).
Соответственно внешние прерывания подразделяются на два вида: немаскируемые и маскируемые.
Часто при выполнении критических участков программ, для того чтобы гарантировать выполнение определенной последовательности команд целиком, приходится запрещать прерывания (т.е. сделать систему нечувствительной ко всем или отдельным прерываниям). Это можно сделать командой CLI. Ее нужно поместить в начало критической последовательности команд, а в конце расположить команду STI, разрешающую процессору воспринимать прерывания. Команда CLI запрещает только маскируемые прерывания, немаскируемые всегда обрабатываются процессором.
Таким образом, наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерываний. Прерывания, которые замаскировать нельзя — это немаскируемые прерывания.
Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями, а именно прерывание происходит, когда:
при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);
при наличии в поле кода не задействованной двоичной комбинации.
при делении на нуль.
при переполнении или исчезновении порядка.
при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.
Программные прерывания
Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. По этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных прерываниях, но только это происходит в предсказуемой точке программы – там, где программист поместил данную команду. Поэтому программные прерывания не являются асинхронными (программа «знает», когда она вызывает прерывание).
Программные прерывания в прямом смысле прерываниями не являются, поскольку представляют собой лишь специфический способ вызова процедур — не по адресу, а по номеру в таблице.
Механизм программных прерываний был специально введен для того, чтобы:
переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычные прерывания. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд.
использование программных прерываний приводит к более компактному коду программ по сравнению с использованием стандартных команд выполнения процедур.
Пример (программные прерывания):
привилегированная команда в режиме пользователя.
адрес вне диапазона.
нарушение защиты памяти.
арифметическое переполнение, отсутствует страница.
нарушение защиты сегмента.
выход за границу сегмента.
В упрощенном виде схему обработки различных видов прерываний можно представить следующим образом:
КП – контроллер прерываний, имеет несколько уровней (линий) для подключения контроллеров устройств (на схеме обозначены КУ). Возможно каскадное подключение контролеров, когда на один из его входов подключается еще одни контроллер прерываний. ЦП – центральный процессор.
Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами компьютера, когда возникает необходимость их обслуживания. В отличие от программных прерываний, вызываемых запланировано самой прикладной программой, аппаратные прерывания всегда происходят асинхронно по отношению к выполняющимся программам. Кроме того, может возникнуть одновременно несколько прерываний. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания.
Каждому прерыванию назначается свой уникальный приоритет. Если происходит одновременно несколько прерываний, то система отдает предпочтение самому высокоприоритетному, откладывая на время обработку остальных прерываний.
В случае о прерывании самой программы обработки прерывания говорят о вложенном прерывании. Уровни приоритетов обозначаются сокращенно IRQ0 — IRQ15 или IRQ0 – IRQ23 (в зависимости от микросхемой реализации).
Пpepывaнию вpeмeни cутoк дан мaкcимaльный пpиopитeт, пocкoльку ecли oнo будет пocтoяннo тepятьcя, то будут нeвepными пoкaзaния cиcтeмныx чacoв. Пpepывaниe от клaвиaтуpы вызывaeтcя при нaжaтии или oтпуcкaнии клавиши; oнo вызывaeт цепь coбытий, кoтopaя oбычнo зaкaнчивaeтcя тем, что код клавиши пoмeщaeтcя в буфep клaвиaтуpы (oткудa он зaтeм мoжeт быть пoлучeн пpoгpaммными пpepывaниями).
Ну и наконец реализация механизма обработки прерываний
В машине для каждого класса прерываний имеется соответствующая ему рабочая область прерываний. Например, имеется область, соответствующая прерыванию по таймеру. Когда происходит прерывание по таймеру, содержимое всех регистров сохраняется в этой области (например, пропустив первые несколько слов). Затем из этих пропущенных слов извлекаются заранее занесенные туда значения, которые перезаписываются в счетчик (указатель) команд машины и в слово состояния (или во флаговый регистр). Загрузка и сохранение регистров осуществляется аппаратными средствами машины автоматически.
Загрузка счетчика команд новым значением адреса автоматически вызывает передачу управления на соответствующую команду. Этот адрес, заранее сохраненный в рабочей области прерывания, представляет собой начальный адрес стандартной программы обработки прерываний по таймеру. Загрузка слова состояния также вызывает определенные изменения в состоянии процессора.
После выполнения в ответ на запрос на прерывание любого требуемого действия стандартная программа обработки прерываний выполняет команду загрузки состояния процессора, в результате чего управление передается прерванной программе. Происходит это следующим образом: команда загрузки состояния процессора вызывает загрузку сохраненного содержимого слова состояния, счетчика команд и других регистров из соответствующих слов области сохранения, начиная с адреса, указанного в команде. Это приводит к восстановлению содержимого регистров и состояния процессора, которые были в момент прерывания. Управление затем передается на команду, перед выполнением которой произошло прерывание.
Сохранение и восстановление состояния процессора и содержимого регистров называют операцией контекстного переключения.
У большинства машин имеется так называемое слово состояния, которое содержит часть информации, используемой при обработке прерываний. Одним из элементов этого слова (например, первый) является признак, определяющий, в каком режиме находится процессор: в пользовательском или супервизора.
Обычные программы находятся в пользовательском режиме (признак равен нулю). Когда происходит прерывание, новое загружаемое содержимое слово состояния имеет признак, равный 1, что автоматически переводит процессор в режим супервизора. В этом режиме становится возможным использование привилегированных команд. Перед тем, как значение слова состояния будет сохранено, в другом его элементе (например, втором) будет установлено значение, указывающее на причину прерывания:
при программном прерывании отражается тип вызвавшего его условия, например деление на нуль.
при прерывании по вводу-выводу заносится номер канала, вызвавший прерывание.
В третьем элементе указывается, выполняет ли процессор команды или простаивает. В четвертом элементе содержится указатель, идентифицирующий текущую выполняемую программу. В пятом элементе содержится маска прерываний, которая используется для контроля за разрешением прерываний (поле MASK).
Это поле используется, чтобы не допустить наступления прерываний определенного типа, пока первое из них не будет обработано. В MASK каждый бит соответствует некоторому классу прерываний. Если какой-то бит установлен в 1, то прерывания соответствующего класса разрешены, если в 0, то запрещены. В последнем случае говорят, что они маскированы (их также называют запрещеннымиили закрытыми). Однако маскированные прерывания не теряются, потому что сигнал, вызвавший прерывание, сохраняется аппаратурой. Временно задержанное таким способом прерывание называется отложенным. Когда (вследствие того, что значение MASK сброшено) прерывания соответствующего класса вновь разрешаются, сигнал опознается и происходит прерывание.
Маскирование прерываний находится под контролем операционной системы и зависит от значения MASK в слове состояния, которое заранее сохраняется в рабочей области каждого прерывания. Можно запретить все прерывания, установив все биты MASK в нуль. В действительности поступать подобным образом нет необходимости.