Обмен по прерываниям

Второе понятие, которое мы проиллюстрировали приведенным выше примером - это понятие о приоритетности прерываний. Приоритет прерывания – это характеристика важности, присваемая прерыванию. Как правило, система может одновременно обслуживать только одно прерывание, однако в некоторых случаях скорость поступления прерываний превышает скорость их обслуживания. В подобной ситуации система может прерывать обслуживание некоторых прерываний при наличии более важных прерываний.

При обработке прерывания и человеку из приведенного выше примера, и центральному процессору ЭВМ необходимо выполнить следующие действия.

1.Получить запрос прерывания.

2.Идентифицировать запрос и выбрать соответствующую процедуру обслуживания прерывания.

3.Сохранить информацию о состоянии прерываемой работы.

4.Обслужить прерывание.

5.Восстановить состояние прерванной работы и вернуться к ее выполнению.

Функции подпрограммы обслуживания прерываний зависят от реализованной в процессоре системы уровней и приоритетов прерываний. В простейшем случае одноуровневой одноприоритетной системы, имеется только одно прерывание по вводу - выводу. Соответствующий сигнал формируется путем логического объединения прерываний от всех подсоединенных устройств ввода - вывода. Подпрограмма обслуживания прерывания опрашивает эти устройства и определяет то, в котором установлен признак прерывания. В многоуровневой одноприоритетной системе имеется одна линия запроса прерывания и ряд линий идентификации устройства. Когда внешнее устройство выдает сигнал в общую линию прерывания, оно также устанавливает свой уникальный код на линиях идентификации устройства. Такая система более сложна в плане ее реализации, но обеспечивает ускоренный ответ. В одноуровневой многоприоритетной системе линии прерывания различных устройств подключены к единственному входу прерываний процессора через логическую схему, обеспечивающую запрещение (маскирование) прерываний от низкоприоритетных устройств за счет прерываний устройств с более высоким приоритетом. Процессор опрашивает устройства в порядке их приоритета и определяет то из них, которое инициировало прерывание. В многоуровневых многоприоритетных системах имеются средства маскирования прерываний в соответствии с приоритетом и немедленной идентификации по сигналам соответствующих линий.

Во многих современных мини- и микроЭВМ с шинной организацией реализована векторная система прерываний. Это эффективный метод прерываний, реализуемый аппаратно при работе с множеством разнотипных устройств, каждое из которых способно формировать сигналы прерывания, причем для каждого типа устройства требуется своя уникальная программа обработки прерываний. Попытаемся описать, как реализуются системы прерываний в ЭВМ с векторными прерываниями. Так же, как и ранее будем по возможности придерживаться наиболее общей схемы, не вдаваясь в подробности организации какой-либо конкретной ЭВМ.

В состав шины управления входит несколько линий запроса прерывания IRQ n (Interrupt ReQuire). Каждая из линий имеет свой уникальный приоритет n. Различные устройства, в зависимости от их важности, подключаются к различным линиям запроса прерываний. Кроме того, имеется одна или несколько линий подтверждения прерываний INTA (INTerrupt Acnowlege).

Обслуживание прерываний производится по следующей обобщенной схеме.

1. Запрос прерывания. Когда периферийное устройство выполнило требуемые действия и его контроллеру необходимо “привлечь к себе внимание” процессора, он формирует запрос прерывания, активизируя “свою” линию IRQ. Часть центрального процессора, которая называется арбитром прерываний, анализирует приоритет поступившего запроса и сравнивает его с текущим приоритетом задачи, выполняемой процессором. Если приоритет запроса выше приоритета процессора, центральный процессор завершает выполнение текущей команды и приступает к выполнению цикла подтверждения прерывания.

2. Идентификация запроса. Центральный процессор активизирует линию INTA. В ответ на это контроллер устройства выставляет на шину данных уникальный код, соответствующий номеру требуемой процедуры обслуживания прерывания. Процессор считывает этот код с шины данных.

В памяти ЭВМ хранится вектор прерываний - массив адресов подпрограмм обслуживания прерываний. Считанный с шины данных код процессор использует как номер элемента вектора прерываний. По этому номеру из массива извлекается один из элементов - адрес требуемой подпрограммы обслуживания прерывания.

3. Сохранение информации о состоянии процессора. После того, как обработка прерывания будет закончена, процессору нужно вернуться к выполнению прерванной задачи. Для того, чтобы это сделать, необходимо запомнить, в каком состоянии был процессор в результате выполнения предыдущей команды. Напомним, что все арифметические команды формируют признаки результатов во флаговом регистре процессора. Например, если процессор выполнял команду сравнения и был прерван, как он сможет выполнить следующую команду условного ветвления, если «не помнит» признаки, установленные при сравнении? Следовательно, при возникновении прерывания процессору необходимо сохранить содержимое своего флагового регистра. Кроме того, необходимо запомнить адрес команды, на которой прервалось выполнение программы, чтобы вернуться к ее выполнению после завершения прерывания. Напомним, что адрес команды, подлежащей выполнению, хранится в программном счетчике. Для сохранения всей необходимой информации используется аппаратный стек, принципы использования которого приведены выше при описании реализации механизма подпрограмм. Таким образом, при возникновении прерывания процессору необходимо включить в стек как минимум регистр флагов и программный счетчик. Арбитр прерываний запоминает, какой приоритет имел процессор при возникновении прерывания. Эта информация может сохраняться вместе с флаговым регистром процессора (как в ЭВМ PDP-11), а может фиксироваться в схеме арбитра (как в персональных ЭВМ фирмы IBM).

Подпрограмме обработки прерывания могут понадобиться для работы регистры процессора. Так как обработчик прерывания “не знает”, чем были заняты регистры процессора до прерывания, используемые регистры также необходимо сохранить. Для сохранения рабочих регистров также используется стек. В предельном случае потребуется запоминать содержимое всех регистров процессора. Процессы запоминания содержимого внутренних регистров после восприятия сигнала прерывания и восстановления его после окончания обработки прерывания называются контекстным переключением. Скорость контекстного переключения оказывает заметное влияние на производительность ЭВМ, особенно в условиях интенсивных прерываний. Поэтому во многих процессорах предусматриваются средства ускорения контекстных переключений, например, команды, которые загружают в стек и извлекают из стека содержимое группы регистров (пример - команды PUSHA и POPA процессора 80286). В идеальном случае контекстное переключение должно требовать минимум команд и времени.

4. Обработка прерываний. Процессор помещает адрес подпрограммы обслуживания прерываний в программный счетчик и приступает к выполнению этой подпрограммы.

5. Восстановление состояния процессора. После того, как обработка прерывания завершена, процессор выполняет команду возврат из прерывания. Эта команда, подобно команде возврата из подпрограммы, выталкивает из стека адрес возврата и помещает его в программный счетчик. В отличие от возврата из подпрограммы, при возврате из прерывания из стека восстанавливается и содержимое регистра флагов. Если арбитр прерываний аппаратно является частью процессора (как в PDP-11), восстановление информации о приоритете процессора до прерывания происходит автоматически. Если арбитр является внешней по отношению к центральному процессору схемой (как в персональных ЭВМ фирмы IBM), процессору необходимо проинформировать арбитра о том, что обслуживание прерывания завершено и необходимо восстановить информацию о приоритете. Если подпрограмма обслуживания прерывания сохраняла содержимое регистров процессора в стеке, то перед окончанием обработки прерывания она обязана восстановить содержимое регистров.

Обработка прерывания завершена, прерванная программа продолжает выполняться.

Алгоритм функционирования процессора, описанный выше и модифицированный с учетом прерываний, можно изобразить в виде блок-схемы, приведенной на рис. 9.

Теперь подведем некоторые итоги. Обмен с устройствами по прерываниям позволяет совместить взаимодействие с медленными устройствами, с выполнением некоторой полезной вычислительной работы. Обмен с устройствами производится в случайные моменты времени, зависящие от относительной скорости работы внешних устройств. Как только устройство готово выполнить обмен данными, оно информирует об этом центральный процессор с помощью сигнала прерывания. Механизм прерываний позволяет одновременно выполнять работу с несколькими медленными устройствами, обслуживая каждое из них с помощью своей подпрограммы обработки прерываний.

Однако необходимо отметить, что реализация механизма прерываний требует некоторых потерь времени на выполнение арбитража, подтверждение прерывания, сохранение информации о состоянии процессора и восстановление этой информации после окончания прерывания. Так в ЭВМ с процессором 8086 и тактовой частотой 4 МГц издержки на организацию обработки прерывания составляют около 40 мкс. Эта величина учитывает только аппаратные издержки механизма прерываний без учета времени, затрачиваемого на сохранение и восстановление регистров центрального процессора, используемых подпрограммой обслуживания прерываний. Следует учитывать также то, что некоторые операционные системы могут накладывать свои ограничения на действия, выполняемые подпрограммами обслуживания прерываний. Наличие этих ограничений приводит к дополнительным издержкам времени. Для ЭВМ PDP-11 с операционной системой RT-11 величина этих издержек может составлять до 100 - 150 мкс. Поэтому максимальная скорость обмена данными по прерываниям будет меньше максимальной скорости программно-управляемого обмена данными. Применение прерываний имеет смысл только в том случае, когда необходимо совместить выполнение полезной вычислительной работы с обслуживанием нескольких медленных внешних устройств. В других случаях более предпочтительным могут оказаться другие способы обмена данными.