Вопрос 15: Система прерываний процессора: параллельные и последовательные прерывания, прерывание по вектору.

Системы прерываний

Прерывания представляет собой механизм, который позволяет реагировать на внешние события. Этот механизм работает таким образом, что при наступлении некоторого события в процессоре возникает сигнал, заставляющий процессор прервать выполнение текущей программы, т.е. говорят, что возникло прерывание. После того как выполнение текущей программы прервано, процессор должен перейти к выполнению программной процедуры, связанной с этим событием (прерыванием) – процедуры обработки прерывания. Однако, прежде чем перейти непосредственно к процедуре обработки прерывания, процессор должен выполнить ряд предварительных действий. Прежде всего, для того чтобы в будущем он смог корректно продолжить прерванную программу, необходимо сохранить состояние процессора (счетик команд, слово состояния процессора, внутренние регистры и т.д.) на момент, предшествующий прерыванию. Т.е. другими словами, требуется сохранить состояния всех тех ресурсов, которые так или иначе могут быть изменены в процессе обработки прерывания.

Под системой прерываний мы будем понимать совокупность аппаратных и программных средств, реализующих механизм прерываний в микроконтроллере. Хотя существуют большое множество различных вариантов построения систем прерываний, тем не менее, можно выделить несколько основных способов организации систем прерываний. Они отличаются между собой объемом аппаратных средств, необходимых для реализации такой системы и соответственно имеют различное быстродействие.

Точные прерывания в процессорах с последовательным выполнением команд

Для процессоров с последовательным выполнением команд реализация точных прерываний довольно проста, поэтому представляется логичным начать с нее. Поскольку в каждый момент времени выполняется только одна команда, то в момент обнаружения прерывания все команды, предшествующие прерываемой, уже выполнены, а последующие даже не начаты.

Таким образом, для реализации точных прерываний в таких процессорах достаточно убедиться, что прерываемая команда никогда не обновляет состояние процесса до тех пор, пока не станет ясно, вызвала она исключение или нет.

Место, где процессор должен определить, позволить ли команде обновить состояние процесса или нет, называется точкой фиксации результатов (commit point). Если процессор сохраняет результаты команды, то есть команда не вызвала исключение, то говорят, что эта команда зафиксирована (на сленге — закоммичена).

Чтобы понять, где же должна быть расположена точка фиксации результатов, полезно вспомнить этапы цикла команды:

• Выборка команды из памяти

• Декодирование команды

• Исполнение команды

• Запись результатов в регистры и/или память

По определению, она должна находиться до записи результатов, но к этому моменту уже должно быть известно, вызвала команда исключение или нет. Исключение может произойти на любом из четырех этапов, например:

ошибка памяти при выборке команды

неизвестный код операции при декодировании

деление на ноль при исполнении

ошибка памяти при записи результатов

Очевидно, что реализация точных прерываний невозможна до тех пор, пока не решена проблема записи результатов в память:

нельзя фиксировать команду и разрешать ей записывать результаты в память до тех пор, пока не станет ясно, что команда не вызвала исключение

нельзя узнать, что исключение не вызвано, не записав результаты в память (для этого нужно получить подтверждение от контроллера памяти, что запись произведена успешно)

Как можно догадаться, эту проблему довольно сложно решить, поэтому во многих процессорах для простоты реализованы «почти точные» прерывания, то есть точными сделаны все прерывания, кроме исключений, вызванных ошибками памяти при записи результатов. В этом случае точка фиксации результатов находится между третьим и четвертым этапами цикла команды.

Важно! Нужно помнить, что счетчик команд тоже должен обновляться строго после точки фиксации результатов. При этом он изменяется вне зависимости от того, зафиксирована команда или нет — в него записывается либо адрес следующей команды, либо вектор прерывания, либо РАВ.

Точные прерывания в процессорах с параллельным выполнением команд

На сегодняшний день процессоров с последовательным выполнением команд почти не осталось (могу вспомнить разве что аналоги интеловского 8051) — их вытеснили процессоры с параллельным выполнением команд, обеспечивающие при прочих равных более высокую производительность. Простейший процессор с параллельным выполнением команд — процессор с конвейером команд (instruction pipeline).

Несмотря на многочисленные преимущества, конвейер команд значительно усложняет реализацию точных прерываний, чем много десятков лет печалит разработчиков.

В процессоре с последовательным выполнением команд этапы цикла команды зависят друг от друга. Простейший пример — счетчик команд. Вначале он используется на этапе выборки (как адрес в памяти, откуда должна быть прочитана команда), затем на этапе исполнения (для вычисления его следующего значения), и потом, если команда зафиксирована, он обновляется на этапе записи результатов. Это приводит к тому, что нельзя выбрать следующую команду до тех пор, пока предыдущая не завершит последний этап и не обновит счетчик команд. То же самое относится и ко всем прочим сигналам внутри процессора.

Процессор с конвейером команд можно получить из процессора с последовательным выполнением команд, если сделать так, чтобы каждый этап цикла команды был независим от предыдущих и последующих этапов.

Для этого результаты каждого этапа, кроме последнего, сохраняются во вспомогательных элементах памяти (регистрах), расположенных между этапами:

Результат выборки — закодированная команда — сохраняется в регистре, расположенном между этапами выборки и декодирования

Результат декодирования — тип операции, значения операндов, адрес результата — сохраняются в регистрах между этапами декодирования и исполнения

Результаты исполнения — новое значение счетчика команд для условного перехода, вычисленный в АЛУ результат арифметической операции и так далее — сохраняются в регистрах между этапами исполнения и записи результатов

На последнем этапе результаты и так записываются в регистры и/или память, поэтому никакие вспомогательные регистры не нужны.

Вот так работает получившийся конвейер:

Такт СК Выборка Декодирование Исполнение Запись_результатов

1 0x00 Команда1 - - -

2 0x04 Команда2 Команда1 - -

3 0x08 Команда3 Команда2 Команда1 -

4 0x0C Команда4 Команда3 Команда2 Команда1

5 0x10 Команда5 Команда4 Команда3 Команда2

Векторные прерывания

Чтобы значительно уменьшить время реакции на внешние события, используются многоуровневые или, что то же самое, векторные прерывания. В векторных прерываниях КАЖДОМУ источнику прерывания соответствует СВОЙ, вполне определенный, адрес процедуры обработки прерывания, который принято называть вектором прерывания.

Вообще, в качестве вектора прерывания могут быть использованы любые данные (адрес подпрограммы, адрес перехода, значение смещения относительно начала таблицы прерываний, специальные инструкции и т.д.), которые позволяют непосредственно перейти к процедуре обработки прерывания, не затрачивая времени на поиск источника прерывания. Какие данные используются в качестве вектора прерывания и каким именно образом они используются зависит от способа реализации системы прерываний в соответствующем процессоре.

Организация системы прерываний в микроЭВМ с использованием векторов прерываний позволяет устранить указанный недостаток. При такой организации системы прерываний ВУ, запросившее обслуживания, само идентифицирует себя с помощью вектора прерывания - адреса ячейки основной памяти микроЭВМ, в которой хранится либо первая команда подпрограммы обслуживания прерывания данного ВУ, либо адрес начала такой подпрограммы. Таким образом, процессор, получив вектор прерывания, сразу переключается на выполнение требуемой подпрограммы обработки прерывания. В микроЭВМ с векторной системой прерывания каждое ВУ должно иметь собственную подпрограмму обработки прерывания.