Работа системы прерываний в реальном режиме работы процессора

В реальном режиме работы система прерываний использует понятие вектора прерывания. Термин «вектор прерываний» используется потому, что для указания адреса используется не одно значение, а два, то есть мы имеем дело не со скалярной величиной, а с «векторной».

Итак, каждый вектор прерываний состоит из 4 байтов или 2 слов; первые два содержат новое значение для регистра IP, а следующие два – новое значение регистра CS. Таблица векторов прерываний занимает 1024 байта. Таким образом, в ней может быть задано 256 векторов прерываний. В процессоре i8086 эта таб­лица располагается на адресах 00000-003FFH. Расположение этой таблицы в про­цессорах i80286 и старше определяется значением регистра IDTR – Interrupt Descriptor Table Register. При включении или сбросе процессора i80x86 этот ре­гистр обнуляется. Однако при необходимости можно в регистре IDTR указать смещение и, таким образом, перейти на новую таблицу векторов прерываний.

Таблица векторов прерываний заполняется (инициализируется) при запуске сис­темы, но в принципе может быть изменена или перемещена.

Каждый вектор прерывания имеет свой номер, называемый номером прерывания, который указывает его место в таблице. Этот номер, помноженный на четы­ре (сдвиг на два разряда влево и заполнение освободившихся битов нулями), и сложенный с содержимым регистра IDTR, дает абсолютный адрес первого бай­та вектора в оперативной памяти.

Подобно вызову процедуры, прерывание заставляет микропроцессор сохранить в стеке информацию для последующего возврата, а затем перейти к группе команд, адрес которых определяется вектором прерывания. Таким образом, преры­вание вызывает косвенный переход к своей подпрограмме обработки за счёт по­лучения её адреса из вектора прерывания.

В IBM PC, как и в других вычислительных системах, прерывания бывают двух видов: внутренние и внешние.

Внутренние прерывания, как мы уже знаем, возникают в результате работы про­цессора. Они возникают в ситуациях, которые нуждаются в специальном обслу­живании, или при выполнении специальных инструкций – INT или INT0. Это следующие прерывания:

¨ прерывание при делении на ноль; номер прерывания – 0;

¨ прерывание по флагу TF (trap flag1). В этом случае прерывание обычно ис­пользуется специальными программами отладки типа DEBUG. Номер прерыва­ния – 1;

¨ инструкции INT (interrupt – выполнить прерывание с соответствующим но­мером) и INT0 (interrupt if overflow – прерывание по переполнению). Эти пре­рывания называются программными.

В качестве операнда команды INT указывается номер прерывания, которое нужно выполнить, например INT 10Н. Программные прерывания как средство перехода на соответствующую процедуру были введены для того, чтобы выполнение этой процедуры осуществлялось в привилегированном режиме, а не в обычном поль­зовательском.

Внешние прерывания возникают по сигналу какого-нибудь внешнего устройства. 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 (no mask interrupt, немаскируемое прерывание) и INTR (interrupt request, запрос на прерывание). Соответственно, внешние прерывания подразделяются на немаскируемые и маскируемые.

Маскируемые прерывания генерируются контроллером прерываний по заявке определенных периферийных устройств2. Контроллер прерываний (его обозна­чение – i8259A) поддерживает восемь уровней (линий) приоритета; к каждому уровню «привязано» одно периферийное устройство1. Маскируемые прерывания часто называют ещё аппаратными прерываниями. В ПК, начиная с IBM PC AT, построенных на базе микропроцессора i80286, используются два контроллера прерываний i8259A; они соединяются каскадным образом. Схема последователь­ного соединения этих контроллеров изображена на рис. 3.12.

Таким образом, на IBM PC AT предусмотрено 15 линий IRQ2, часть которых ис­пользуется внутренними контроллерами системной платы, а остальные заняты стандартными адаптерами либо не используются. Ниже перечислены линии запроса на прерывание, которые мы приводим потому, что каждый специалист по вычислительной технике должен знать основные стандарты ПК. Итак, линии IRQ:

0 – системный таймер;

1 – контроллер клавиатуры;

2 – сигнал возврата по кадру (EGA/VGA), на AT соединен с IRQ 9;

3 – обычно СОМ2/СОМ4;

4 – обычно СОМ1/СОМ3;

5 – контроллер HDD (на первых компьютерах IBM PC XT), обычно свободен на IBM PC AT и используется звуковой картой;

6 – контроллер FDD;

7 – LPT1, многими LPT-контроллерами не используется;

8 – часы реального времени с автономным питанием (RTC – real time clock);

9 – параллельна IRQ 2;

10 – не используется, то есть свободно;

11 – свободно;

12 – обычно контроллер мыши типа PS/2;

13 – математический сопроцессор;

14 – обычно контроллер IDE0 (первый канал);

Рис. 3.12. Каскадирование контроллеров прерывания

Как известно, прерывания могут быть инициированы внешним устройством ПК или специальной командой прерывания из программы. В любом случае, если прерывания разрешены, то выполняется следующая процедура:

1 В стек помещается регистр флагов PSW.

2 Флаг включения/выключения прерываний IF и флаг трассировки TF, находящиеся в регистре PSW, обнуляются для блокировки других маскируемых прерываний и исключения пошагового режима исполнения команд.

3 Значения регистров CS и IP сохраняются в стеке вслед за PSW.

4 Вычисляется адрес вектора прерывания, и из вектора, соответствующего номеру прерывания, загружаются новые значения IP и CS.

Когда системная подпрограмма принимает управление, она может снова разрешить маскируемые прерывания командой STI (set interrupt flag, установить флаг прерываний), которая переводит флаг IF в состояние 1, что разрешает микропроцессору вновь реагировать на прерывания, инициируемые внешними устрой­ствами, поскольку стековая организация позволяет вложение прерываний друг в друга.

Закончив работу, подпрограмма обработки прерывания должна выполнить инст­рукцию IRET (interrupt return), которая извлекает из стека три 16-битовых значения и загружает их в указатель команд IP, регистр сегмента команд CS и регистр PSW соответственно. Таким образом, процессор сможет продолжить работу с того места, где он был прерван.

В случае внешних прерываний процедура перехода на подпрограмму обработки прерывания дополняется следующими шагами:

1 Контроллер прерываний получает заявку от определенного периферийного устройства и, соблюдая схему приоритетов, генерирует сигнал INTR (inter­rupt request), который является входным для микропроцессора.

2 Микропроцессор проверяет флаг IF в регистре PSW. Если он установлен в 1, то переходим к шагу 3. В противном случае работа процессора не прерывает­ся. Часто говорят, что прерывания замаскированы, хотя правильнее говорить, что они отключены. Маскируются (запрещаются) отдельные линии запроса на прерывания посредством программирования контроллера прерываний.

3 Микропроцессор генерирует сигнал INTA (подтверждение прерывания). В от­вет на этот сигнал контроллер прерывания посылает по шине данных номер прерывания. После этого выполняется описанная нами ранее процедура пере­дачи управления соответствующей программе обработки прерывания.

Номер прерывания и его приоритет устанавливаются на этапе инициализации системы. После запуска ОС пользователь, как мы уже отмечали, может изменить таблицу векторов прерывания, поскольку она ему доступна.