Лекция
Привет, сегодня поговорим про системы прерывания программ, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое системы прерывания программ, прерывание программ , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров.
В процессе выполнения программ внутри ЭВМ или во внешней среде могут возникнуть события, 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. Рассматриваемый процесс называется прерыванием программы и может быть пояснен рис. 19.1.
Рис.19.1. прерывание программ ы
При описании управления прерываниями обычно различают две процедуры, а именно:
Рис. 1. Обработка прерывания
Обычно ISR реализуются производителем аппаратуры, а драйверы устройств выполняют управление прерываниями с помощью IST. Потоки обработки прерываний действуют как любые другие потоки и используют ту же самую систему приоритетов. Это означает, что проектировщик системы РВ может придать IST более низкий приоритет, чем приоритету потока приложения.
Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, оповещающим об этом ЭВМ и называемым запросом прерывания. Прерывания могут порождаться внутренними и внешними событиями:
Внутренние – сбой в аппаратуре, переполнение разрядной сетки, деление на 0, выход из установленной зоны памяти, попытка обратиться к запрещенной зоне памяти, попытка обращения к защищенным программам операционной системы, сигнал от таймера и т.д.
Внешние – запрос от другой ЭВМ, сообщение от аварийных датчиков управляемого технологического процесса, запрос оператора, требование от ПУ операции обмена, запросы на обслуживание клавиатуры, мыши и т.д.
В общем случае запросы прерывания генерируются несколькими, развивающимися параллельно во времени процессами, которые в некоторый момент времени требуют вмешательства процессора. Общим во всех этих запросах является то, что моменты их поступления невозможно предусмотреть. Это существенно отличает процесс прерывания от рассмотренного ранее процесса передачи управления подпрограмме, происходящего в заранее известных точках основной программы.
Возможность прерывания – важное свойство ЭВМ, позволяющее эффективно использовать производительность процессора и прежде всего при организации параллельной работы процессора и периферийных устройств ЭВМ.
Для эффективной организации процесса прерывания и минимизации усилий программиста современные ЭВМ снабжены соответствующими программно-аппаратными средствами, которые получили название контроллера прерываний.
Контроллер прерываний в общем случае является достаточно сложным программируемым устройством, требующим соответствующей инициализации со стороны процессора. В процессе инициализации в управляющие регистры контроллера загружается информация о дисциплине обслуживания запросов прерывания, количестве используемых входов, режиме взаимодействия с процессором и т.д. Обычно инициализация контроллера выполняется при запуске вычислительной системы. Однако большинство контроллеров прерываний допускают перепрограммирование и в процессе обработки программы, в частности изменение дисциплины обслуживания поступающих запросов прерывания. Конструктивно контроллеры прерываний выполняются в виде отдельных специализированных БИС, но в ряде случаев могут быть встроены в другие устройства вычислительной системы. Простейшие контроллеры прерываний небольших микро-ЭВМ часто строятся на логических микросхемах общего назначения.
Основными функциями системы прерывания являются:
Под термином состояние программы (процессора), строго говоря, следует понимать совокупность состояний всех запоминающих элементов (триггеров, регистров, ячеек памяти) в соответствующий момент времени (например, после выполнения микрокоманды, команды, программы). Однако не вся эта информация искажается при переходе к другой команде или программе, поэтому из всего многообразия информации о состоянии программы (процессора) отбирают наиболее существенные ее элементы, изменяющиеся при переходе к другой команде или программе.
Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для запуска программы с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора состояния. При этом предполагается, что другая информация о состоянии узлов процессора либо не существенна, либо может быть восстановлена программным путем.
Вектор состояния формируется в соответствующих регистрах процессора, изменяясь после выполнения каждой команды. Наборы информационных элементов, образующих вектор состояния, отличаются у ЭВМ разных типов и зависят от сложности процессора. В простейших процессорах эти наборы невелики. Например, в процессоре КР580ВМ80 (I8080) вектор состояния состоит из содержимого счетчика адреса команд (16 бит), содержимого регистра признаков (8 бит) и содержимого аккумулятора (8 бит). В более сложных процессорах вектор состояния может содержать существенно большее количество элементов.
Аналогично, вектор начального состояния должен содержать всю необходимую информацию для начального запуска программы. Во многих случаях вектор начального состояния содержит только один элемент – начальный адрес запускаемой программы.
При рассмотрении систем прерывания очень широко используется также термин вектор прерывания, который является ничем иным, как вектором начального состояния прерывающей программы (обработчика). Вектор прерывания содержит всю необходимую информацию для перехода к обработчику, в том числе его начальный адрес. Каждому уровню прерываний, а в простых ЭВМ каждому входу прерывания (периферийному устройству) соответствует свой вектор прерывания, который инициализирует выполнение соответствующего обработчика. Обычно векторы прерывания хранятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти с короткими адресами. Таким образом, для перехода к соответствующей прерывающей программе процессор должен располагать не только вектором прерывания, но и адресом этого вектора.
Следует иметь в виду, что понятие вектор прерывания достаточно условно, поскольку в абсолютном большинстве случаев вектор прерывания состоит только из одного элемента – начального адреса прерывающей программы (обработчика).
При наличии нескольких источников запросов должен быть установлен определенный порядок обслуживания поступающих запросов, т.е. должны быть установленыприоритетные соотношения (дисциплина обслуживания). Они определяют, какой из нескольких запросов, поступивших одновременно, подлежит обработке в первую очередь, имеет ли право данный запрос прерывать ту или иную программу и т.д. Все это входит в процедуру перехода к прерывающей программе.
Эффективность систем прерывания ЭВМ может оцениваться по весьма многочисленным характеристикам, которые отражают особенности их технической реализации. Однако для изучения общих принципов построения систем прерывания достаточно рассмотреть только самые обобщенные. К их числу относятся следующие характеристики.
· Общее количество запросов прерывания
Количество запросов прерывания (источников запросов прерывания – ИЗП) существенно различается у ЭВМ различных типов и может достигать десятков. В системах прерывания радиальной структуры это понятие может совпадать с понятием количества входов в систему прерывания. При цепочечной организации системы прерывания эти понятия не совпадают.
· Время реакции
Время реакции определяется как временной интервал между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы.
На рис. 19.2 приведена упрощенная временная диаграмма процесса прерывания в предположении, что управление запоминанием и возвратом возложено на сам обработчик. В этом случае он состоит из трех частей – подготовительной и заключительной, обеспечивающих переключение программ, и собственно прерывающей программы, выполняющей затребованные запросом операции. Кроме того, предполагается, что запрос представлен уровнем потенциала.
Для одного и того же запроса задержка в исполнении прерывающей программы (обработчика данного запроса) зависит от того, сколько запросов со старшим приоритетом ожидает обслуживания, поэтому время реакции определяется для запроса с наивысшим приоритетом. На рис. 19.2 оно обозначено tp.
Рис.19.2. Упрощенная временная диаграмма процесса прерывания
· Задержка прерывания (издержка прерывания)
Задержка прерывания (tзад) определяется суммарным временем на запоминание (tз) и восстановление (tв) программы (см. рис. 14.6):
.
· Глубина прерывания
Глубина прерывания определяет максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Если после перехода от основной программы к прерывающей обслуживание остальных запросов запрещено, то считается, что система имеет глубину прерывания, равную 1. Глубина равна n, если допускается последовательное прерывание до n программ. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов в системе прерывания. Если глубина прерывания не равна 1, то упрощенно это можно изобразить диаграммой (рис. 19.3). Здесь имеется в виду, что приоритет прерываний возрастает у каждого следующего запроса. Системы с большим значением глубины прерывания обеспечивают более быструю реакцию на срочные запросы.
Рис.19.3. Упрощенная временная диаграмма процесса прерывания в системах с различной глубиной
· Насыщение системы прерывания
Если запрос окажется не обслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника (т.е. того же приоритета), то возникает явление, называемое насыщением системы прерывания. В этом случае часть запросов прерывания будет утрачена, что для нормальной работы ЭВМ недопустимо. Поэтому быстродействие ЭВМ, характеристики системы прерывания и частоты возникающих запросов должны быть строго согласованы, чтобы насыщение было невозможно.
· Допустимые моменты прерывания программ
В большинстве случаев прерывания допускаются после выполнения любой текущей команды, когда время реакции на прерывание определяется, в основном, длительностью выполнения одной команды.
При работе ЭВМ с быстрыми технологическими процессами в реальном масштабе времени (т.е. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . в контурах управления реальных физических процессов) это время может оказаться недопустимо большим. Кроме того, существуют задачи, при выполнении которых требуется немедленная реакция на ошибку, обнаруженную, например, аппаратурой контроля, чтобы не допустить выполнения ошибочно сформированного кода команды. Такие ситуации характерны для управляющих ЭВМ военного назначения.
В этом случае в системе прерывания реализуется возможность прерывания после любого такта выполнения команды программы. Однако это требует запоминания, а потом восстановления гораздо большего объема информации, чем в случае прерывания после окончания команды, поэтому такая организация прерываний возможна только в ЭВМ с быстродействующей сверхоперативной памятью достаточного объема.
· Число уровней прерываний
Уже отмечалось, что в ЭВМ число различных источников запросов (причин) прерывания может достигать десятков и даже сотен. Однако в ряде случаев многие запросы поступают от групп однотипных устройств, для обслуживания которых требуется одна и та же прерывающая программа (обработчик). Запросы от однотипных устройств целесообразно объединить в группы, каждой из которых будет соответствовать свой сигнал запроса прерывания.
Уровнем или классом прерывания называется совокупность запросов, инициирующих одну и ту же прерывающую программу (обработчик).
Технически такое объединение может быть реализовано по-разному. На рис. 19.4 приведен возможный вариант решения этой задачи при условии, что все поступающие запросы фиксируются в разрядах регистра запросов прерывания (РгЗП).
Рис.19.4. Разделение запросов на классы прерываний
Запросы от всех источников поступают в РгЗП, устанавливая соответствующие его разряды (флажки) в состояние 1, указывающее на наличие запроса прерывания. Запросы классов прерывания ЗПК1-ЗПКk формируют элементы ИЛИ, объединяющие разряды РгЗП, относящиеся к соответствующим уровням. Еще одна схема ИЛИ формирует ОСП, поступающий в УУ процессора. Он формируется при любом запросе (поднятом флажке) прерывания.
Информация о действительной причине прерывания (конкретном источнике запроса), породившей запрос данного класса, содержится в коде прерывания, который отражает состояние разрядов РгЗП, относящихся к данному классу прерываний. В процессе обработки прерывания эти разряды (содержащийся в них код) подвергаются анализу. Такое объединение прерываний в классы уменьшает объем аппаратуры, но замедляет работу системы прерывания. После передачи управления прерывающей программе соответствующий триггер РгЗП сбрасывается.
Конкретные технические реализации систем прерывания имеют множество вариантов и зависят от типа используемого процессора, структуры системного интерфейса, целевого назначения ЭВМ. В то же время все они являются сложными комбинациями небольшого количества базовых структур систем прерывания. Ниже рассматриваются две основные базовые структуры – радиальная и цепочечная.
· Радиальная структура
Обобщенная структура системы прерывания радиального типа представлена на рис. 19.5 (ША и ШУ не изображены).
Характерной особенностью радиальной структуры является то, что каждый ИЗП (в частном случае ПУ) подключен через ЛЗП к отдельному входу контроллера прерываний. В этом случае число подключаемых ИЗП определяется числом входов в систему прерывания. Поступающие запросы, как правило, фиксируются в разрядах РгЗП. Запросы от ИЗП могут быть представлены как уровнем потенциала, так и его перепадом, поскольку поступают в контроллер по отдельным линиям. Однако представление запроса потенциалом более предпочтительно, поскольку система прерывания становится более устойчивой как к помехам, так и к сбоям аппаратуры. Это существенно снижает вероятность пропуска запроса от ИЗП.
Основным преимуществом такой структуры является упрощение аппаратных средств ИЗП, относящихся к обслуживанию процесса прерывания, поскольку в их функции входит только формирование сигнала запроса прерывания, т.е. необходим только запросчик.
Рис.19.5. Радиальная структура системы прерывания
· Цепочечная структура
Обобщенная структура системы прерывания цепочечного типа представлена на рис. 19.6 (ША и ШУ не изображены).
Характерной особенностью цепочечной структуры является то, что к одной ЛЗП может подключаться множество ИЗП. Каждая ЛЗП соответствует одному входу в систему прерывания и обладает собственным уровнем приоритета. В отличие от радиальной структуры запросы от ИЗП всегда представлены уровнем потенциала. Поэтому выходные каскады аппаратных средств формирования запросов в каждом ИЗП представляют собой ключи с открытым коллектором, объединенные по схеме монтажного "или". Это позволяет исключить потерю запросов, одновременно выставленных разными источниками на одну ЛЗП. Запросы прерывания, поступающие с разных ЛЗП и имеющие различный приоритет, могут фиксироваться (как и в предыдущем случае) в разрядах РгЗП.
Основным преимуществом такой структуры является практически неограниченное количество ИЗП, подключаемых к одному входу системы прерывания (одной ЛЗП) без снижения быстродействия. Однако сложность и объем аппаратуры поддержки системы прерывания в каждом ИЗП существенно увеличиваются, что увеличивает стоимость системы прерывания и ЭВМ в целом. Помимо запросчика каждый ИЗП должен содержать также аппаратуру формирования кода адреса вектора прерывания. Да и аппаратура самого запросчика также усложняется. Кроме того, необходимо принять меры для того, чтобы при отсутствии любого ИЗП цепь распространения сигнала ПП не размыкалась. Это обеспечивается либо специальной конструкцией контактов слота, либо перемычками на системной плате.
Рис.19.6. Цепочечная структура системы прерывания ( цифрами обозначена последовательность прохождения сигналов)
Несмотря на усложнение и удорожание подобных систем прерывания по сравнению с радиальными, они очень широко используются в вычислительных системах самой разной архитектуры и назначения.
Конкретные реализации процедур перехода к прерывающей программе во многом зависят от структуры системы прерывания и типа используемого процессора. Между тем можно сформулировать некоторые общие принципы построения этих процедур. В любой процедуре перехода к обработчику главное место занимает передача текущего вектора состояния прерываемой программы на хранение в стек, а затем загрузка в регистры процессора вектора прерывания, т.е. начального вектора состояния обработчика, который, как уже отмечалось, в большинстве случаев состоит только из одного элемента – начального адреса. Векторы прерывания хранятся в фиксированных ячейках ОП, поэтому процессор должен предварительно получить адрес соответствующего вектора прерывания. При наличии нескольких ИЗП процедура перехода к прерывающей программе включает в себя также операции по выявлению запроса прерывания с максимальным приоритетом.
Следует отметить, что различают абсолютный и относительный приоритеты.
Абсолютный приоритет – запрос, имеющий абсолютный приоритет, при поступлении сразу же прерывает выполняемую в процессоре программу и инициирует выполнение соответствующего обработчика.
Относительный приоритет – запрос, имеющий относительный приоритет, при поступлении является первым кандидатом на обслуживание после завершения выполнения текущей программы.
Именно метод обнаружения запроса с максимальным приоритетом и способ формирования адреса вектора прерывания различают процедуры обработки прерываний в системах радиальной и цепочечной структуры. Ниже коротко рассматриваются основные моменты перехода к прерывающей программе для обоих случаев.
· Радиальная структура
В соответствии с рис. 19.5 все запросы от ИЗП фиксируются в разрядах РгЗП, который еще называется регистром флажков. При поступлении запроса в соответствующий разряд РгЗП записывается 1 (поднимается флажок). Дальнейшая последовательность операций по реализации процедуры перехода к прерывающей программе следующая.
1. При поступлении любого запроса (или нескольких запросов) в РгЗП формируется сигнал ОСП. Этот сигнал транслируется в процессор, а также инициирует процедуру поиска запроса с максимальным приоритетом, результатом выполнения которой является формирование кода адреса соответствующего вектора прерывания. Эта процедура может выполняться как программно, так и аппаратно. Некоторые варианты ее реализации рассматриваются ниже.
2. Процессор заканчивает выполнение текущей команды и посылает в контроллер сигнал "Подтверждение прерывания" (рис. 19.5).
3. В ответ на сигнал "Подтверждение прерывания" контроллер выставляет на ШД код адреса вектора прерывания.
4. Процессор считывает с ШД код адреса вектора прерывания, сохраняет в стеке вектор текущего состояния прерываемой программы (в простейшем случае только содержимое счетчика адреса команд) и осуществляет переход к прерывающей программе. Если вектор текущего состояния прерываемой программы автоматически сохраняется только частично, то операции по сохранению его остальных элементов возлагаются на обработчик (рис. 19.2, интервал времени tз).
· Цепочечная структура
В соответствии с рис. 19.6 к каждой ЛЗП (входу системы прерывания) может быть подключено множество запросчиков ИЗП, объединенных по схеме монтажное "или". Сигнал "подтверждение прерывания" распространяется по цепочке ИЗП, подключенных к одной ЛЗП. Распространение этого сигнала блокируется ИЗПj, выставившим запрос. Получив сигнал "Подтверждение прерывания", ИЗПj выставляет на ШД код адреса вектора прерывания. Таким образом, приоритет подключенных к одной ЛЗП устройств определяется положением ИЗП в цепочке распространения сигнала "Подтверждение прерывания". Это исключает необходимость выполнения процедуры поиска запроса с максимальным приоритетом среди ИЗП, подключенных к одной ЛЗП.
Если ЛЗП несколько, что обычно имеет место в реальных системах прерывания цепочечной структуры, в контроллере прерывания выполняется процедура поиска возбужденной ЛЗП с максимальным приоритетом, которая аналогична процедуре поиска запроса с максимальным приоритетом в системе радиальной структуры.
На основании вышеизложенного можно сформулировать последовательность основных операций по реализации процедуры перехода к прерывающей программе. При этом предполагается, что состояние возбужденных ЛЗП фиксируется в разрядах РгЗП, несмотря на то, что при потенциальном способе задания сигналов запросов прерывания его наличие не обязательно.
1. При поступлении любого запроса (или нескольких запросов) в РгЗП формируется сигнал ОСП. Этот сигнал транслируется в процессор, а также инициирует процедуру поиска возбужденной ЛЗП с максимальным приоритетом, результатом выполнения которой является выбор линии распространения сигнала "Подтверждение прерывания" (цепочки ИЗП).
2. Процессор заканчивает выполнение текущей команды и посылает в контроллер сигнал "Подтверждение прерывания" (см. рис. 19.6).
3. Получив этот сигнал, контроллер транслирует его на выбранную цепочку ИЗП.
4. ИЗП, имеющий максимальный приоритет среди устройств, выставивших запрос на выбранную ЛЗП, блокирует дальнейшее распространение сигнала "Подтверждение прерывания" и выставляет на ШД код адреса своего вектора прерывания.
5. Процессор считывает с ШД код адреса вектора прерывания, сохраняет в стеке вектор текущего состояния прерываемой программы (в простейшем случае только содержимое счетчика адреса команд) и осуществляет переход к прерывающей программе. Если вектор текущего состояния прерываемой программы автоматически сохраняется только частично, то операции по сохранению его остальных элементов возлагаются на обработчик (рис. 19.2, интервал времени tз).
В простых системах прерывания цепочечного типа может присутствовать только одна ЛЗП. В этом случае отпадает необходимость выполнения процедуры поиска ЛЗП с максимальным приоритетом, которая, даже если выполняется аппаратными средствами, требует сравнительно больших временных затрат. Отпадает необходимость и в контроллере прерываний, поскольку сигнал с ЛЗП может непосредственно поступать на соответствующий вход процессора вместо сигнала ОСП. Такие системы прерывания являются наиболее динамичными даже при достаточно большом количестве ИЗП.
Уже неоднократно отмечалось, что обязательным компонентом процедуры перехода к обработчику является операция обнаружения наиболее приоритетного запроса прерывания (радиальная структура) или ЛЗП (цепочечная структура), которая в большинстве случаев выполняется в контроллере прерываний. Тем самым реализуется система приоритетных соотношений между ИЗП или цепочками ИЗП. Эта система приоритетных соотношений может быть либо фиксированной, либо изменяться программным путем в процессе обработки задачи. В соответствии с этим различаются системы прерываний с фиксированными приоритетами и с программно-управляемыми. Большинство контроллеров прерываний являются программируемыми и могут реализовывать систему как фиксированных, так и программно-управляемых приоритетов. Ниже рассматриваются некоторые варианты реализации процедур установления приоритетных соотношений обоих типов.
Рассмотрим только простейший случай установки приоритетных соотношений, состоящий в том, что уровень приоритета определяется порядком присоединения ЛЗП к входам системы прерывания, т.е. разрядам РгЗП. Пусть максимальный приоритет имеет вход с минимальным номером. В этом случае поиск ЛЗП с максимальным приоритетом сводится к поиску крайнего левого поднятого флажка в РгЗП. Процедуру поиска можно реализовать как программными, так и аппаратными средствами. В ряде случае эту процедуру называют соответственно программным или аппаратным полингом.
· Программный опрос РгЗП
Начало поиска инициируется сигналом ОСП. Программа поиска состоит из последовательности условных операторов, анализирующих разряды РгЗП, начиная с младшего. При обнаружении поднятого флажка управление передается обработчику. Если сигнал ОСП после выполнения обработчика не снимается, происходит повторный анализ разрядов РгЗП и поиск ЗП с максимальным приоритетом среди ЗП, оставшихся не обслуженными.
Программный полинг требует минимальных аппаратных затрат, поскольку выполняется процессором, а в качестве РгЗП можно использовать какой-либо управляемый регистр (т.е. БИС контроллера прерываний не требуется). Однако существенным недостатком метода является большое время поиска ЗП, особенно при большом количестве ЛЗП.
Для уменьшения времени поиска ЗП с максимальным приоритетом используют аппаратную реализацию алгоритма. Ниже рассматривается возможная структура такого устройства.
· Аппаратный циклический опрос РгЗП
Структурная схема устройства, реализующего аппаратный циклический опрос разрядов РгЗП, представлена на рис. 19.7. Устройство аппаратного полинга входит в состав контроллера прерываний и функционирует следующим образом.
Рис.19.7. Схема устройства циклического опроса РгЗП
Опрос k линий запросов прерываний производится с помощью n-разрядного счетчика (2n ≥ k), на вход которого поступают импульсы от ГТИ. Поиск начинается со сброса счетчика и установки T в состояние 0. При этом импульсы от ГТИ через схему & начинают поступать на вход счетчика. На выходах дешифратора, начиная с первого, последовательно появляются единицы. Это происходит до тех пор, пока не попадается возбужденная линия запроса прерывания, на которой тоже выставлена 1. В этом случае триггер T перебрасывается в состояние 1 и в процессор идет сигнал ОСП. Кроме того, прекращается поступление импульсов ГТИ на вход счетчика, т.е. завершается просмотр входов системы прерывания. Содержимое счетчика – код номера запроса (старшего по приоритету) используется для формирования адреса соответствующего вектора прерывания. После передачи управления обработчику счетчик и триггер сбрасываются в 0 сигналом "Сброс", и процедура опроса разрядов РгЗП возобновляется.
Рассмотренный метод опроса разрядов РгЗП существенно быстрее программного, но при большом числе ЛЗП время реакции системы оказывается достаточно большим.
· Аппаратный однотактный опрос РгЗП
Структурная схема устройства, реализующего аппаратный однотактный опрос разрядов РгЗП, представлена на рис. 19.8.
Рис.19.8. Схема устройства однотактного опроса РгЗП
Схемы подобного типа принято называть дейзи-цепочками, и в настоящее время они получили очень широкое распространение в различных устройствах ЭВМ. Схема функционирует следующим образом. Процедура поиска запроса с максимальным приоритетом инициируется сигналом "Приоритет", поступающим на цепочку последовательно соединенных схем &. При отсутствии запросов этот сигнал пройдет насквозь всю цепочку и сигнал ОСП не сформируется. (По-прежнему считаем, что максимальный приоритет имеет запрос с минимальным номером.) Пусть выставлен ЗП2. В этом случае распространение сигнала "Приоритет" блокируется &2', поскольку y2 = 1. Кроме того, при обнаружении любого ЗПi формируется сигнал ОСП, поступающий в процессор, а шифратор по сигналу y2 = 1 формирует код адреса второго (в общем случае i-го) вектора прерывания.
По сигналу процессора "Подтверждение прерывания" этот код передается в процессор, и происходит вызов соответствующего обработчика.
· Цепочка приоритетов
Как уже отмечалось, в цепочечной системе прерывания используется двухуровневая система приоритетов. Это приоритет ЛЗП и приоритет конкретного устройства в цепочке ИЗП, относящихся к одной ЛЗП. Приоритет ЛЗП определяется в процессе выполнения процедуры поиска наиболее приоритетного запроса (ЛЗП) в контроллере системы прерываний как радиальной, так и цепочечной структуры. Эта процедура описана выше. Приоритет устройства в цепочке ИЗП является фиксированным и определяется положением устройства на линии распространения сигнала ПП, т.е. ИЗП фактически образуют дейзи-цепочку. Таким образом, устройство, располагающееся в слоте, ближайшем к контроллеру прерываний, автоматически получает наивысший приоритет. Приоритет остальных устройств в цепочке убывает по мере удаления их слотов от контроллера прерываний. Приоритет устройства в такой системе прерывания можно изменить только путем перемещения устройства по линии распространения сигнала ПП, т.е. только перестановкой в другой слот.
При наличии нескольких наиболее приоритетных устройств такое распределение приоритетов становится недостатком, поэтому обычно используется несколько ЛЗП (4-8 линий). Наиболее приоритетные устройства в этом случае располагаются на всех ЛЗП в слотах, ближайших к контроллеру прерываний.
Во многих случаях приоритеты между прерывающими программами не могут быть зафиксированы раз и навсегда, т.е. требуется иметь возможность программно управлять приоритетами.
Существуют три основных метода реализации в ЭВМ систем программно-управляемых приоритетов – порог прерывания, маска прерывания и смена приоритетов. Первый используется, в основном, в системах прерывания микро-ЭВМ с простыми процессорами, второй – в более сложных ЭВМ с мощными процессорами, третий используется в вычислительных системах всех классов. В ряде случаев все три метода используются совместно. Ниже коротко рассматривается суть этих методов, позволяющих программным путем изменить дисциплину обслуживания ИЗП.
· Порог прерывания
Этот способ позволяет в ходе вычислительного процесса программным путем изменять уровень приоритета процессора (а следовательно, и обрабатываемой в данный момент программы) относительно приоритетов запросов источников прерывания (в основном периферийных устройств). Таким образом, устанавливается минимальный уровень приоритета запросов, которым разрешено прерывать программу, выполняемую процессором.
Порог прерывания задается командой программы, устанавливающей в регистре порога прерывания контроллера код порога прерывания. Вернемся к рис. 19.8, к его части, изображенной пунктиром. Ранее рассматривалось, как происходит выделение кода запроса с максимальным приоритетом. Затем этот код сравнивают с порогом прерывания (на компараторе), и, если он оказывается выше порога, вырабатывается сигнал ОСП и начинается процедура прерывания.
· Маска прерывания
Маска прерывания представляет двоичный код, разряды которого поставлены в соответствие запросам или классам прерываний (рис. 19.9).
Рис.19.9. Схема реализации управления приоритетами с помощью маски прерывания
Маска загружается командой программы в регистр маски контроллера (РгМ). Состояние 1 в данном разряде маски разрешает, а 0 запрещает (маскирует) прерывание текущей программы соответствующим запросом. Таким образом, программа, меняя маску в РгМ, может устанавливать произвольные приоритетные соотношения между прерывающими программами без перекоммутаций ЛЗП. Каждая прерывающая программа может устанавливать свою маску. При формировании маски 1 устанавливается в разряды, соответствующие запросам (прерывающей программе) с более высоким, чем у данной программы, приоритетом.
На изображенной схеме элементы & выделяют незамаскированные запросы прерываний, из которых специальная схема, аналогичная дейзи-цепочке, выделяет наиболее приоритетный и формирует код его номера.
С замаскированным запросом поступают в зависимости от того, какой причиной он вызван: или он игнорируется, или запоминается с тем, чтобы осуществить затребованные действия, когда запрет будет снят.
· Смена приоритетов
В начале п. 19.3.1 было оговорено, что разряды РгЗП, а следовательно, и входы в систему прерывания имеют фиксированные приоритеты, причем максимальный приоритет имеет вход с минимальным номером. Между тем в большинстве контроллеров прерываний имеется возможность программным путем изменять приоритеты входов, т.е. изменять дисциплину обслуживания ИЗП. Существует относительно небольшое количество используемых на практике дисциплин обслуживания. Ниже рассмотрен один из наиболее распространенных вариантов дисциплины обслуживания – режим кругового (циклического) приоритета.
Этот режим характерен для таких применений, в которых ИЗП (цепочки ИЗП) имеют примерно одинаковый приоритет и ни одному из них нельзя отдать предпочтение. В то же время нормальное функционирование контроллера возможно только при наличии системы приоритетов. Выравнивание приоритетов ИЗП в этом случае осуществляется следующим образом.
Каждому входу контроллера (разряду РгЗП) при инициализации присваивается соответствующий приоритет. После поступления запроса и его обслуживания (выполнения соответствующего обработчика) приоритеты входов контроллера автоматически изменяются в круговом порядке таким образом, что последний обслуженный вход получает низший приоритет. Например, контроллер прерываний имеет 4 входа, приоритеты которых после инициализации убывают в следующем порядке: ЛЗП1, ЛЗП2, ЛЗП3, ЛЗП4. Пусть в текущий момент времени завершено обслуживание ИЗП2 (радиальная структура). После этого приоритеты входов автоматически будут распределены в следующем порядке: ЛЗП3, ЛЗП4, ЛЗП1, ЛЗП2. После обслуживания очередного ИЗП произойдет аналогичная смена приоритетов. Возможны и другие схемы выравнивания приоритетов ИЗП.
Одной из модификаций режима кругового приоритета является режим адресуемого приоритета. Этот режим аналогичен рассмотренному выше, но допускает программное определение входа контроллера, которому назначен низший или высший приоритет.
Следует иметь в виду, что современные контроллеры прерываний в большинстве случаев содержат все или почти все механизмы реализации фиксированных и программно-управляемых приоритетов, рассмотренные выше. Набор используемых дисциплин обслуживания запросов прерывания зависит от разработчиков вычислительной системы, а конкретный режим обслуживания задается программным путем.
1. Принципы организации систем прерывания программ.
2. Состояние программы и вектор прерывания.
3. Основные характеристики систем прерывания.
4. Определение числа уровней прерывания.
5. Радиальная структура системы прерывания.
6. Цепочечьная структура системы прерывания.
7. Типы приоритетов прерываний.
8. Процедура поллинга.
9. Схема устройства однотактного опроса регистра запросов прерывания. Дейзи-цепочки.
10. Реализация программно-управляемых приоритетов.
11. Схема реализации управления приоритетами с помощью маски прерывания.
Надеюсь, эта статья про системы прерывания программ, была вам полезна, счастья и удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое системы прерывания программ, прерывание программ и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Термины: Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров