Лекция: Прерывания

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Т.е. прерывание – это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через нее – к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

Основная цель введения прерываний – реализация асинхронного режима функционирования и распараллеливание работы отдельных устройств вычислительного комплекса.

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Структуры систем прерываний (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность - прерывание непременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Механизм обработки прерываний подразумевает за собой независимо от архитектуры вычислительной системы выполнение некоторой последовательности шагов:

1. Установление факта прерывания (прием сигнала запроса на прерывание) и идентификация прерывания;

2. Запоминание состояния прерванного процесса вычислений;

3. Управление аппаратно передается на подпрограмму обработку прерывания;

4. Сохранение информации о прерванной программе. Которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью аппаратуры;

5. Выполнение программы, связанной с обработкой прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, на которую было передано управление на шаге 3, но в операционных системах достаточно часто она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы;

6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу;

7. Возврат на прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, шаги 4-7 – программно.

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).

Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса, например:

• прерывания от таймера;

• прерывания от внешних устройств;

• прерывания по нарушению питания;

• прерывания с пульта оператора вычислительной системы.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются следующие запросы на прерывание:

• при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес;

• при делении на ноль;

• от средств контроля (например, вследствие обнаружения ошибки четности, ошибок в работе различных устройств).

Таблица 1. Основные классы прерываний

Программное прерывание	Генерируется в некоторых ситуациях, возникающих в результате выполнения команд. Такими ситуациями могут быть арифметическое переполнение, деление на ноль, попытка выполнить некорректную команду и ссылка на область памяти, доступ к которой пользователю запрещен.
Прерывание по таймеру	Генерируется таймером процессора. Это прерывание позволяет операционной системе выполнять некоторые свои функции периодически, через заданные промежутки времени.
Прерывание ввода-вывода	Генерируется контроллером ввода-вывода. Сигнализирует о нормальном завершении операции или о наличии ошибок.
Аппаратное прерывание	Генерируется при возникновении таких аварийных ситуаций, как, например, падение напряжения в сети иди ошибка контроля четности памяти.

Прерывания в основном предназначены для повышения эффективности работы компьютерной системы.

Цикл исполнения программы с прерываниями

В цикле прерывания процессор проверяет наличие сигналов прерываний, свидетельствующих о происшедших прерываниях. При поступлении прерывания процессор приостанавливает работу с текущей программой и выполняет обработчик прерывания. Обработчики прерываний обычно входят в состав операционной системы. Как правило, эти программы определяют природу прерывания и выполняют необходимые действия. Когда обработчик прерываний завершает свою работу, процессор возобновляет выполнение программы пользователя с того места, где она была прервана.

Обработка прерываний

Прерывание вызывает ряд событий, которые происходят как в аппаратном, так и в программном обеспечении.

Аппаратное обеспечение Программное обеспечение

После завершения работы устройства ввода-вывода происходит следующее:

1. Устройство посылает процессору сигнал прерывания.

2. Перед тем как ответить на прерывание, процессор должен завершить исполнение текущей команды (Рисунок 1.4).

3. Процессор производит проверку наличия прерывания, обнаруживает его и посылает устройству, приславшему это прерывание, уведомляющий сигнал об успешном приеме. Этот сигнал позволяет устройству снять свой сигнал прерывания.

4. Теперь процессору нужно подготовиться к передаче управления обработчику прерываний. Сначала необходимо сохранить всю важную информацию, чтобы в дальнейшем можно было вернуться к тому месту текущей программы, где она была приостановлена. Минимальная требуемая информация - это слово состояния программы и адрес очередной выполняемой команды, который находится в программном счетчике. Эти данные заносятся в системный управляющий стек.

5. Далее в программный счетчик процессора загружается адрес входа программы обработки прерываний, которая отвечает за обработку данного прерывания. В зависимости от архитектуры компьютера и устройства операционной системы может существовать как одна программа для обработки всех прерываний, так может быть и своя программа обработки для каждого устройства и каждого типа прерываний. Если для обработки прерываний имеется несколько программ, то процессор должен определить, к какой из них следует обратиться. Эта информация может содержаться в первоначальном сигнале прерывания; в противном случае для получения необходимой информации процессор должен по очереди опросить все устройства, чтобы определить, какое на них отправило прерывание.

Как только в программный счетчик загружается новое значение, процессор переходит к следующему циклу команды, приступая к ее извлечению из памяти. Так как команда извлекается из ячейки, номер которой задается содержимым программного счетчика, управление переходит к программе обработки прерываний. Исполнение этой программы влечет за собой следующие операции.

6. Содержимое программного счетчика и слово состояния прерываемой программы уже хранятся в системном стеке. Однако это еще не вся информация, имеющая отношение к состоянию исполняемой программы. Например, нужно сохранить содержимое регистров процессора, так как эти регистры могут понадобиться обработчику прерываний. Поэтому необходимо сохранить всю информацию о состоянии программы.

7. Теперь обработчик прерываний может начать свою работу. В процесс обработки прерывания входит проверка информации состояния, имеющая отношение к операциям ввода-вывода или другим событиям, вызвавшим прерывание. Сюда может также входить пересылка устройствам ввода-вывода дополнительных инструкций или уведомляющих сообщений.

8. После завершения обработки прерываний из стека извлекаются сохраненные ранее значения, которые вновь заносятся в регистры, возобновляя таким образом то состояние, в котором они пребывали до прерывания (Рисунок 1.6, б).

9. Последний этап - восстановление из стека слова состояния программы и содержимого программного счетчика. В результате, следующей будет выполняться команда прерванной программы.

Из-за того что прерывание не является подпрограммой, вызываемой из программы, для полного восстановления важно сохранить всю информацию состояния прерываемой программы. Однако прерывание может произойти в любой момент и в любом месте программы пользователя. Это событие непредсказуемо.