И ЕЩЕ О ПРЕРЫВАНИЯХ

Описанный выше механизм прерываний, или аппаратные прерывания, является эффективным способом организации взаимодействия процессора с медленными внешними устройствами и начал применяться еще в ЭВМ второго поколения. Однако использование механизма прерываний в современных ЭВМ этим не ограничивается.

При работе процессора возможны ситуации, когда по некоторой причине нормальная работа центрального процессора по выполнению программы становится невозможной. Примерами таких ситуаций могут быть деление на ноль, обращение к несуществующей ячейке памяти или к несуществующему порту внешнего устройства, неверное указание операнда команды (например, попытка извлечь квадратный корень из отрицательного числа), попытка выполнить команду с неправильным кодом операции и так далее. Такие ситуации принято называть особыми случаямиили исключениями. Для обработки особых случаев также используется механизм прерываний. Для этого в памяти вместе с обработчиками прерываний от внешних устройств размещаются подпрограммы обработки нештатных ситуаций в процессоре, или обработчики особых случаев. Под особые случаи зарезервирована часть прерываний, возможных в данной ЭВМ. Такие зарезервированные для особых случаев прерывания иногда называют ловушками (trap). При этом, если возникнет некоторый особый случай, источником сигнала прерывания становится сам процессор. Он прерывает выполнение программы и переходит к выполнению подпрограммы обработки нештатной ситуации. Как и в случае аппаратного прерывания действия, выполняемые подпрограммой обработки особого случая, ограничены только программными возможностями процессора.

Неверно было бы думать, что нештатные ситуации могут возникать только из-за ошибок в программе или сбоев процессора. Так, например, во многих моделях микро- и миниЭВМ предусмотрена возможность выполнения операций над числами с плавающей точкой особым блоком центрального процессора, который называется арифметическим сопроцессором. Причем отметим, что с целью уменьшения стоимости отдельные ЭВМ данной модели могут не комплектоваться сопроцессором. Пусть, например, в процессоре некоторой ЭВМ отсутствует блок, выполняющий операции над числами с плавающей точкой. Если в программе встретится команда, выполняющая операцию над числами с плавающей точкой, центральный процессор не сможет ее выполнить и сгенерирует прерывание из-за неправильной команды. Подпрограмма обработки этого прерывания может выяснить, какая команда стала причиной прерывания и выполнить операцию над числами с плавающей точкой программным способом. Конечно, программная обработка операций над числами с плавающей точкой будет выполняться существенно медленнее аппаратной обработки. Но с точки зрения пользователя поведение программы не будет зависеть от того, имеется на ЭВМ арифметический сопроцессор или нет. Таким образом, программные прерывания могут позволить имитировать (или эмулировать) отсутствующий сопроцессор. Еще одним примером полезного использования особых случаев может служить отладка программы. Многие процессоры в своем флаговом регистре содержат флаг отладки или трассировки. Этот флаг можно установить или очистить программно. Если флаг трассировки установлен, то после выполнения каждой команды процессор генерирует прерывание особого случая отладки и передает управление специальной программе - отладчику. Отладчик позволяет выполнять программы по шагам, просматривать содержимое регистров процессора, содержимое памяти и т.д. и, тем самым, может существенно облегчить поиск ошибки в сложной программе.

Из анализа действий процессора при восприятии прерывания следует, что они очень похожи на действия при вызове подпрограммы. Основное отличие состоит в том, что вызов подпрограммы полностью запрограммирован и предсказуем, а переход к обслуживанию прерывания инициируется внешним сигналом, момент появления которого предсказать невозможно. Тем не менее, внешняя аналогия реакции на прерывание и вызова подпрограммы позволяет считать прерывание аппаратным вызовом подпрограммы.

Отметим одно отличие обработки прерывания от вызова подпрограммы. При обращении к подпрограмме необходимо так или иначе указать адрес ячейки памяти, в которой находится первая из команд подпрограммы. В ЭВМ с векторной системой прерываний совершенно необязательно знать, в каком месте памяти находится обработчик прерывания. Для обращения к подпрограмме обработки прерывания достаточно знать только номер элемента вектора прерываний, который содержит адрес обработчика. При этом действия, которые может выполнять подпрограмма обслуживания прерывания, ограничиваются только программными возможностями процессора. Эти свойства позволяют использовать механизм прерываний с еще одной целью. В системе команд многих ЭВМ имеются команды, которые позволяют программно запускать механизм прерываний (команда INT процессора 8086, команды TRAP и EMT процессора PDP - 11, команда SVC в машинах IBM 360). Прерывания, генерируемые командами программы, носят название программных прерываний. По существу, программные прерывания являются просто изощренным способом обращения к подпрограммам. В отличие от “обычных” подпрограмм, программные прерывания позволяют не указывать в команде адрес подпрограммы, а используют аппаратный механизм прерываний. Чаще всего программные прерывания используются в программах для обращения к операционной системе. Помимо более короткой записи (не нужно указывать адрес подпрограммы) использование программных прерываний дает возможность обратиться к подпрограмме, не зная адреса, по которому подпрограмма операционной системы расположена в памяти.

Есть еще одна причина применения программных прерываний для обращения к операционной системе. Во многих ЭВМ существуют механизмы защиты памяти. Эти механизмы позволяют защитить операционную систему и другие программы от некорректных или злонамеренных действий пользователя. Защита предполагает запрет доступа к защищаемым участкам памяти и, кроме того, запрет на выполнение некоторых команд пользователем. К числу таких “особых”, привилегированных команд могут относиться команды останова процессора, управление механизмом формирования адреса памяти и т.д. При этом процессор имеет два режима работы: пользовательский, с включенным механизмом защиты и системный, с более широкими возможностями. Из-за наличия ограничений, накладываемых защитой памяти, становится невозможным обратиться к операционной системе “напрямую” как к подпрограмме. Программные прерывания в таких ЭВМ позволяют переключить процессор из пользовательского режима в системный при обращении к операционной системе и обратно после выполнения запроса и тем самым корректно преодолеть ограничения, накладываемые защитой.

Суммируя все сказанное о прерываниях, можно сказать, что в современной вычислительной технике различают три основных вида прерываний: аппаратные прерывания, когда сигналом о прерывании внешнее устройство информирует процессор о своей готовности к обмену данными; прерывания обработки особых случаев процессора, когда сам процессор прерывает выполнение программы при возникновении нештатной ситуации; программные прерывания, которые являются способом обращения к подпрограмме и причиной которых является команда программы.

РЕЖИМЫ АДРЕСАЦИИ

При выполнении программы многим командам требуется доступ к памяти для выборки данных, записи промежуточных и окончательных результатов вычислений. Для любого такого обращения, что уже отмечалось выше, в команде необходимо как-то указать адрес операнда. Поэтому способ формирования адресов операндов в значительной степени определяет способность ЭВМ эффективно осуществлять обработку информации. Объем памяти в ЭВМ постоянно растет и поэтому существенной становится проблема сокращения длины команды. Для преодоления ограничений по длине команды и повышения эффективности обработки информации в ЭВМ имеется множество режимов адресации, которые позволяют

a)определять полный адрес памяти меньшим числом бит, тем самым, сокращая длину команды;

b)обращаться к ячейкам памяти, адреса которых вычисляются во время выполнения программы, что обеспечивает удобный доступ к данным различной структуры;

c)вычислять адрес памяти относительно позиции команды или относительно другого объекта таким образом, что программу можно загружать в любую область памяти без всяких изменений адресов в программе.

Рассмотрим основные способы формирования адресов операндов в современных ЭВМ и опишем их основные особенности.

Непосредственная адресация.В этом самом простом режиме адресации операнд, подлежащий обработке, размещается непосредственно в самой команде и передается в процессор следом за выборкой кода операции команды. Данный режим адресации применяется тогда, когда операндом является константа, не изменяющаяся во время выполнения программы. Примером применения такого режима адресации может служить загрузка некоторого адреса в регистр процессора.

Абсолютная или прямая адресация.Этот режим адресации также достаточно прост. Часть команды является адресом операнда в памяти. Из-за своей простоты этот режим используется во многих ЭВМ. Этот способ адресации достаточно быстр, так как при поиске адреса не требуется никаких дополнительных вычислений. Однако указание полного прямого адреса операнда в команде требует много бит, особенно в ЭВМ с большим объемом адресного пространства. Кроме этого стоит отметить, что если в командах программы указаны полные адреса ее операндов, программа оказывается “жестко привязанной” к конкретным адресам памяти. Это не всегда оправдано, так как часто желательно иметь возможность размещать программы в произвольных участках памяти достаточного размера, к тому же иногда возникает необходимость переместить программу на другое место в памяти. Поэтому для устранения этих недостатков многие ЭВМ используют короткие разновидности прямой адресации (см. ниже относительную адресацию). Такие методы адресации обеспечивают доступ к ограниченной части адресного пространства.

Регистровая адресация.В данном режиме операнд находится в одном из регистров процессора и в команде просто указывается номер требуемого регистра. Команда с регистровой адресацией будет достаточно короткой. Кроме того, для выборки операндов процессору не требуется достаточно длительная операция обращения к памяти, поскольку регистры встроены в сам процессор. По этим причинам команды с регистровой адресацией являются самыми “быстрыми” командами. Для увеличения скорости работы программ необходимо стремиться к тому, чтобы часто используемые данные по возможности постоянно находились в регистрах центрального процессора.

Регистровая косвенная адресация.В этом режиме адресации регистр или пара регистров процессора содержат адрес операнда, и в команде указывается номер регистра с адресом. Адрес может храниться в специализированном указательном регистре или регистре общего назначения. Этот способ адресации получил очень широкое распространение и по быстродействию приближается к прямой адресации, так как адрес содержится внутри регистра процессора и для его выборки не требуется производить сравнительно длительную операцию обращения к памяти. Загрузка указательных регистров производится либо с использованием непосредственной адресации, либо адрес вычисляется в процессе работы программы, что требуется при просмотре массивов, в процедурах передачи данных и т.д.

Адресация с автоуменьшением или автоувеличением.При адресации с автоувеличением адрес операнда вычисляется практически так же, как и при косвенной регистровой адресации. После выборки операнда, адрес, находящийся в регистре процессора автоматически увеличивается на 1 для указания следующего байта, на 2 - для указания поля из двух байт и т.д., при этом размер операнда определяется кодом операции. Отличие адресации с автоуменьшением состоит в том, что перед выборкой операнда содержимое регистра уменьшается на 1, 2 и т.д. в соответствии с размером операнда. Эти два типа адресации позволяют эффективно обрабатывать массивы однотипных данных.

Примерами такой адресации являются цепочечная адресация в процессоре 8086 или автоинкрементная и автодекрементная адресация в процессорах СМ. По существу разновидностью этого метода адресации является также стековая адресация. В процессорах СМ использование автоинкрементного режима по отношению к программному счетчику (который обладает там теми же свойствами, что и любой регистр общего назначения) позволяет получить абсолютный режим адресации.

Неявная или подразумеваемая адресация.При таком способе адресации в команде явно не указывается адрес одного или нескольких операндов. Операнды в командах с неявной адресацией могут находиться, например, в выделенных для этой команды регистрах процессора, или некоторый выделенный и заранее известный регистр процессора может содержать адрес операнда. Примерами команд с неявной адресацией могут служить многие команды микропроцессоров семейства 8086. Рассмотрим команду организации цикла со счетчиком повторения. В этой команде не указывается явно, какой из регистров содержит счетчик цикла и предполагается, что перед выполнением команды счетчик цикла размещен в регистре - счетчике процессора (регистре CX). Другой пример - команды пересылки блоков данных, которые имеются у многих процессоров (например, REP MOVSBв 8086). Адреса операндов в этой команде явно не указываются и определяются двумя индексными регистрами процессора, куда они должны быть предварительно загружены. При выборке операндов неявно используется адресация с автоувеличением или автоуменьшением.

Индексная адресацияудобна для обращения к массивам и таблицам. Для образования исполнительного адреса к адресной части команды прибавляется смещение из индексного регистра, называемое индексом (см. рис. 14). Индексный регистр является программно - доступным, и его содержимое может изменяться, что позволяет изменять исполнительные адреса без модификации адресной части команды. В качестве индексных регистров используются один или несколько специализированных регистров, в некоторых ЭВМ их функции выполняют регистры общего назначения. Когда индексный режим используется для доступа к массиву, адрес в команде соответствует базовому адресу массива, а значение индексного регистра - индексу компоненты массива.

Относительная адресация.Основное назначение относительной адресации - преодолеть недостатки прямой адресации, сохранив при этом ее внешнюю простоту и эффективность. При относительной адресации в команде указывается не полный адрес операнда, а сокращенный адрес, обычно называемый смещением. В процессе выполнения команды полный адрес операнда вычисляется путем суммирования смещения, указанного в команде с некоторой величиной, которая называется базовым адресом. Существует два способа расширения адреса, указанного в короткой форме.

Первый способ называется самоопределяющейся относительной адресацией.В этом случае смещение, указанное в команде, складывается с адресом самой команды (обычно это текущее содержимое программного счетчика). Такой способ широко используется в командах условной передачи управления многих процессоров. Анализ программ показывает, что команды условной передачи управления чаще всего осуществляют переход на небольшое расстояние (до плюс - минус 100 - 200 байт). Поэтому во многих ЭВМ адрес перехода хранится в виде числа со знаком - короткого (8 бит) смещения целевого адреса относительно адреса команды ветвления (программного счетчика). При выполнении команды смещение просто суммируется с программным счетчиком. Применение относительной адресации в данном случае сокращает длину команды и повышает скорость ее выполнения. Другим примером может служить относительная адресация в процессорах СМ. В командах с относительной адресацией содержится смещение, которое при вычислении адреса операнда суммируется с содержимым программного счетчика. Отметим, что при таком способе адресации не нужно явно указывать, откуда брать базовый адрес (в качестве него всегда выступает программный счетчик). Поэтому этот способ адресации иногда называют неявным базированием.

Второй вид относительной адресации называется базовой адресацией.При базовой адресации смещение, указываемое в команде, складывается с базовым адресом, хранящимся в регистре базы процессора (см. рис. 15). Смещение обычно имеет длину меньше, чем длина базового адреса, которая, в свою очередь, должна быть такой, чтобы в качестве базового можно было указать любой из возможных адресов. В качестве регистра базы может использоваться специализированный регистр базы или один из регистров общего назначения. В любом случае одна из команд программы должна явно загрузить в регистр базы значение базового адреса и, кроме того, программист должен тем или иным способом указать, какой из регистров выступает в качестве базового. Поэтому этот способ адресации часто называют адресацией с явным базированием.

Разновидностью базовой адресации является сегментная адресация,применяемая в процессорах семейства 8086. Так как процессор 8086 может обрабатывать числа длиной 16 бит, все его адресные регистры являются 16-ти битными. Это обеспечивает доступ к адресному пространству размером 2¹⁶ = 65536 байт или 64К байт (1К = 1024). Такой блок непосредственно адресуемой памяти называется сегментом. Любой исполнительный адрес формируется в виде суммы базового адреса начала сегмента (он всегда кратен 16) и смещения до нужной ячейки внутри сегмента. Базовый адрес сегмента задается 16-битной величиной, хранимой в сегментном регистре. Физический 20- разрядный адрес памяти (см. рис. 16) получается суммированием содержимого сегментного регистра умноженного на 16 (умножение двоичного числа на 16 эквивалентно сдвигу влево на 4 разряда) и 16-разрядного смещения относительно начала сегмента. Используя 20-разрядные адреса, процессор 8086 может адресовать память объемом 2²⁰ = 1024К = 1048576 = 1М байт. Сегменты жестко не привязываются к определенным адресам памяти и могут частично или полностью перекрываться. Термин сегментная адресация введен для того, чтобы подчеркнуть, что размер сегментного регистра хранящего базовый адрес сегмента меньше длины физического адреса, в то время как термин базовая адресация обычно подразумевает, что длина базового регистра равна или больше длины физического адреса памяти.

Основными достоинствами относительной адресации и ее разновидностей является, во-первых, то, что длина указываемого в команде адреса меньше длины физического адреса, а это позволяет сократить длину команд, во-вторых, программа с относительной адресацией не зависит от конкретного места ее расположения в памяти. При изменении положения программы в памяти достаточно только правильно настроить регистры, содержащие базовые адреса.