Система прерываний (синхронный метод обмена)

При возникновении события, требующего немедленной реакции со стороны машины, ЦП прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенной для данного события, по завершении которой возвращается к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется прерыванием.

Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается специальным сигналом, который называется запросом прерывания. Программа, затребованная запросом прерывания, называется обработчиком прерывания.

Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, наступления которых он «не ожидает», существует система прерываний ЭВМ. При отсутствии системы прерываний все заслуживающие внимания события должны находиться в поле зрения процессора, что сильно усложняет программы и требует большой их избыточности. Кроме того, поскольку момент наступления события заранее не известен, процессор может находиться в ожидании какого-либо события длительное время, и чтобы не пропустить его появления, ЦП не может «отвлекаться» на выполнение какой-либо другой работы. Такой режим работы (режим

274

сканирования ожидаемого события) связан с большими потерями времени ЦП на ожидание.

Альтернативой режиму сканирования может быть вариант, когда:

  • 1. ЦП выдает команду ввода-вывода, затем продолжает выполнение другой программы.
  • 2. Когда ПФУ готово к обмену данными, оно через МВБ извещает об этом процессор с помощью формирования на управляющей линии сигнала прерывания ЦП. Выставив запрос, МВВ помещает введенную информацию на шину данных, после чего он готов к следующей операции ввода-вывода.
  • 3. ЦП в конце каждого цикла команды проверяет наличие запросов прерывания. Когда от МВВ приходит такой сигнал, ЦП сохраняет контекст текущей программы и обрабатывает прерывание. ЦП осуществляет передачу очередного элемента данных, после чего возобновляет выполнение прерванной программы.

Этот метод эффективнее программно управляемого ввода-вывода, поскольку устраняет ненужные ожидания, однако обработка прерывания занимает достаточно много времени ЦП. Кроме того, каждое слово, пересылаемое из памяти в МВВ или в противоположном направлении, как и при программно управляемом вводе-выводе, проходит через ЦП.

Кроме сокращения потерь на ожидание, режим прерываний позволяет организовать выполнение такой работы, которую без него реализовать просто невозможно. Например, при появлении неисправностей, нештатных ситуаций режим прерываний позволяет организовать работу по диагностике и автоматическому восстановлению в момент возникновения нештатной ситуации, прервав выполнение основной работы таким образом, чтобы сохранить полученные к этому времени правильные результаты. Тогда как без режима прерываний обратить внимание на наличие неисправности система могла только после окончания выполняемой работы (или ее этапа) и получения неправильного результата.

Таким образом, система прерываний позволяет микропроцессору выполнять основную работу, не отвлекаясь на проверку состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости, или прервать выполняемую работу и переключиться на анализ возникшей ситуации сразу после ее появления.

Помимо требующих внимания нештатных ситуаций, которые могут возникнуть при работе микропроцессорной системы, процессору полезно уметь «переключать внимание» и на различные виды работ, одновременно выполняемые в системе. Поскольку управление работой системы осуществляется программой, этот вид прерываний должен формироваться программным путем.

В зависимости от места нахождения источника прерываний они могут быть разделены на внутренние (программные и аппаратные) и внешние прерывания (поступающие в ЭВМ от внешних источников, например, от клавиатуры или модема).

Принцип действия системы прерываний заключается в следующем: при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяются содержимое регистров, счетчиков, состояние отдельных управляющих триггеров, т.е. изменяется состояние процессора. Информация о состоянии процессора лежит в основе многих процедур управления вычислительным процессом. Не вся информация одинаково актуальна, есть существенные элементы, без которых невозможно продолжение работы. Эта информация должна сохраняться при каждом «переключении внимания процессора».

Совокупность значений наиболее существенных информационных элементов называется вектором состояния или словом состояния процессора (в некоторых случаях она называется словом состояния программы).

Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы или повторного пуска ее с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора. Вектор состояния формируется в соответствующем регистре процессора или в группе регистров, которые могут использоваться и для других целей.

Наборы информационных элементов, образующих векторы состояния, отличаются у ЭВМ разных типов. В IBM PC вектор состояния включает содержимое счетчика команд, сегментных регистров, регистра флагов и аккумулятора (регистра АХ).

Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре (зафиксированных схемами контроля), переполнения разрядной сетки, деления на нуль, выхода за установленные для данной программы области памяти, затребования периферийным устройством операции ввода-вывода, завершения этой операции ввода-вывода или возникновения при этой операции особых условий и т.д.

Некоторые из этих запросов порождаются самой программой, но время их возникновения невозможно предсказать заранее.

При наличии нескольких источников запросов прерывания часть из них может поступать одновременно. Поэтому в ЭВМ устанавливается определенный порядок (дисциплина) обслуживания поступающих запросов. Кроме того, в ЭВМ предусматривается возможность разрешать или запрещать прерывания определенных видов.

ПЭВМ IBM PC может выполнять 256 различных прерываний, каждое из которых имеет свой номер (двухразрядное шестнадцатеричное число).

Все прерывания делятся на две группы: прерывания с номера 00h по номер lFh называются прерываниями базовой системы ввода-вывода (BIOS - Basic Input-Output System); прерывания с номера 20h по номер FFh называются прерываниями операционной системы (ОС). Прерывания ОС имеют более высокий уровень организации, чем прерывания BIOS, они строятся на использовании модулей BIOS в качестве элементов.

Прерывания делятся на три типа: аппаратные, логические и программные.

Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора:

  • - прерывание №2 - отказ питания;
  • - №8 от таймера;
  • - №9 от клавиатуры;
  • - № 12 от адаптера связи;
  • - №14 от НГМД;
  • - №15 от устройства печати и др.

Запросы на логические прерывания вырабатываются внутри микропроцессора при появлении «нештатных» ситуаций:

  • - прерывание №0 при попытке деления на 0;
  • - №4 - при переполнении разрядной сетки арифметико-логического устройства;
  • - №1- при переводе микропроцессора в пошаговый режим работы;
  • - №3 - при достижении программой одной из контрольных точек.

Последние два прерывания используются отладчиками программ для организации пошагового режима выполнения программ (трассировки) и для остановки программы в заранее намеченных контрольных точках.

Запрос на программное прерывание формируется по команде INT п, где п - номер вызываемого прерывания. Запрос на аппаратное или логическое прерывание вырабатывается в виде специального электрического сигнала.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >