Система UNIX позволяет таким устройства, как внешние устройства ввода-вывода и системные часы, асинхронно прерывать работу центрального процессора. По получении сигнала прерывания ядро операционной системы сохраняет свой текущий контекст (застывший образ выполняемого процесса), устанавливает причину прерывания и обрабатывает прерывание. После того, как прерывание будет обработано ядром, прерванный контекст восстановится и работа продолжится так, как будто ничего не случилось. Устройствам обычно приписываются приоритеты в соответствии с очередностью обработки прерываний. В процессе обработки прерываний ядро учитывает их приоритеты и блокирует обслуживание прерывания с низким приоритетом на время обработки прерывания с более высоким приоритетом.
Прерывание – это переход от одной программы к другой.
Особые ситуации связаны с возникновением незапланированных событий, вызванных процессом, таких как недопустимая адресация, задание привилегированных команд, деление на ноль и т.д. Они отличаются от прерываний, которые вызываются событиями, внешними по отношению к процессу. Особые ситуации возникают прямо «посредине» выполнения команды, и система, обработав особую ситуацию, пытается перезапустить команду; считается, что прерывания возникают между выполнением двух команд, при этом система после обработки прерывания продолжает выполнение процесса уже начиная со следующей команды. Для обработки прерываний и особых ситуаций в системе UNIX используется один и тот же механизм.
Урок 16. Таблица векторов прерываний
Уровни прерывания процессора
Ядро иногда обязано предупреждать возникновение прерываний во время критических действий, могущих в случае прерывания запортить информацию. Например, во время обработки списка с указателями возникновение прерывания от диска для ядра нежелательно, т.к. при обработке прерывания можно запортить указатели.
Обычно имеется ряд привилегированных команд, устанавливающих уровень прерывания процессора в слове состояния процессора. Установка уровня прерывания на определенное значение отсекает прерывания этого и более низких уровней, разрешая обработку только прерываний с более высоким приоритетом. На Рисунке 1.6 показана последовательность уровней прерывания. Если ядро игнорирует прерывания от диска, в этом случае игнорируются и все остальные прерывания, кроме прерываний от часов и машинных сбоев.
Рисунок 1.6. Стандартные уровни прерываний
Прерывания и особые ситуации
Система отвечает за обработку всех прерываний, поступили ли они от аппаратуры (например, от таймера или от периферийных устройств), от программ (в связи с выполнением инструкций, вызывающих возникновение «программных прерываний») или явились результатом особых ситуаций (таких как обращение к отсутствующей странице). Если центральный процессор ведет обработку на более низком уровне по сравнению с уровнем поступившего прерывания, то перед выполнением следующей инструкции его работа прерывается, а уровень прерывания процессора повышается, чтобы другие прерывания с тем же (или более низким) уровнем не могли иметь места до тех пор, пока ядро не обработает текущее прерывание, благодаря чему обеспечивается сохранение целостности структур данных ядра. В процессе обработки прерывания ядро выполняет следующую последовательность действий:
Уроки Ардуино #16 — аппаратные прерывания
- Сохраняет текущий регистровый контекст выполняющегося процесса и создает в стеке (помещает в стек) новый контекстный уровень.
- Устанавливает «источник» прерывания, идентифицируя тип прерывания (например, прерывание по таймеру или от диска) и номер устройства, вызвавшего прерывание (например, если прерывание вызвано дисковым запоминающим устройством). При возникновении прерывания система получает от машины число, которое использует в качестве смещения в таблице векторов прерывания. Содержимое векторов прерывания в разных машинах различно, но, как правило, в них хранится адрес программы обработки прерывания, соответствующей источнику прерывания, и указывается путь поиска параметра для программы. В качестве примера рассмотрим таблицу векторов прерывания, приведенную на Рисунке 6.9. Если источником прерывания явился терминал, ядро получает от аппаратуры номер прерывания, равный 2, и вызывает программу обработки прерываний от терминала, именуемую ttyintr.
| Номер прерывания Программа обработки прерывания 0 clockintr 1 diskintr 2 ttyintr 3 devintr 4 softintr 5 otherintr |
Рисунок 6.9. Пример векторов прерывания
- Вызов программы обработки прерывания. Стек ядра для нового контекстного уровня, если рассуждать логически, должен отличаться от стека ядра предыдущего контекстного уровня. В некоторых разработках стек ядра текущего процесса используется для хранения элементов, соответствующих программам обработки прерываний, в других разработках эти элементы хранятся в глобальном стеке прерываний, благодаря чему обеспечивается возврат из программы без переключения контекста.
- Программа завершает свою работу и возвращает управление ядру. Ядро исполняет набор машинных команд по сохранению регистрового контекста и стека ядра предыдущего контекстного уровня в том виде, который они имели в момент прерывания, после чего возобновляет выполнение восстановленного контекстного уровня. Программа обработки прерываний может повлиять на поведение процесса, поскольку она может внести изменения в глобальные структуры данных ядра и возобновить выполнение приостановленных процессов. Однако, обычно процесс продолжает выполняться так, как если бы прерывание никогда не происходило.
| алгоритм inthand /* обработка прерываний */ входная информация: отсутствует выходная информация: отсутствует |
Рисунок 6.10. Алгоритм обработки прерываний На Рисунке 6.10 кратко изложено, каким образом ядро обрабатывает прерывания. С помощью использования в отдельных случаях последовательности машинных операций или микрокоманд на некоторых машинах достигается больший эффект по сравнению с тем, когда все операции выполняются программным обеспечением, однако имеются узкие места, связанные с числом сохраняемых контекстных уровней и скоростью выполнения машинных команд, реализующих сохранение контекста. По этой причине определенные операции, выполнения которых требует реализация системы UNIX, являются машинно-зависимыми. Каждый раз, когда система получает прерывание (или вызывает системную функцию), она создает в стеке новый контекстный уровень и сохраняет регистровый контекст предыдущего уровня. Как уже говорилось выше, возникновение прерывания побуждает ядро запускать программу обработки прерываний, в основе алгоритма которой лежит соотношение между устройством, вызвавшим прерывание, и смещением в таблице векторов прерываний. Ядро запускает программу обработки прерываний для данного типа устройства, передавая ей номер устройства или другие параметры для того, чтобы идентифицировать единицу устройства, вызвавшую прерывание. Поскольку с одной записью в таблице векторов прерываний может быть связано множество физических устройств, драйвер должен уметь распознавать устройство, вызвавшее прерывание. На рисунке записи в таблице векторов прерываний, соответствующие прерываниям от терминалов, имеют метки 0 и 1, чтобы система различала их между собой при вызове программы обработки прерываний, используя к примеру этот номер в качестве передаваемого программе параметра. Программа обработки прерываний использует этот номер и другую информацию, переданную механизмом прерывания, для того, чтобы удостовериться, что именно устройство tty09, а не tty12, прервало работу системы. Этот пример в упрощенном виде показывает то, что имеет место в реальных системах, где на самом деле существует несколько уровней контроллеров и соответствующих программ обработки прерываний, но он иллюстрирует общие принципы. Схемы обработки прерываний На рисунке 18.1 представлен первый способ обработки прерывания 
Рис.18.1. Схема обработки прерываний Может случиться, что ядро, не успев обработать одно прерывание, должно реагировать на следующее. Поэтому в системе ОС UNIX существует несколько уровней обработки прерываний. При обработке прерываний необходимо исключить вмешательство тех процессов, которые требуют тот же ресурс, на котором находится прерываемый процесс. Можно сказать, что допускается нахождение только одного прерывания внутри ядра системы.Для достижения этого существуют способы:
- если одно прерывание находится на ядре системы, все остальные должны быть запрещены, независимо от причины;
- в ОС UNIX ядро является ресурсом, рассматривается как CS, вход и выход из него контролируется семафором, связанным с очередью процессов.
- Очередь организована на уровне списков.
На рисунке 18.2 представлен второй способ обработки прерывания 
Рис.18.2. Схема обработки прерываний с использованием семафора. Семафор связан с изъятием из списка оответствующего требования. Такой способ гарантирует, что ядро на каждое прерывание реагирует в течении времени d t. Каждое прерывание, которое не может обрабатываться в течении определенного времени, или ему необходим доступ к глобальной переменной, должно превратится в так называемый fork-process. Для управления такими процессами введены две дополнительные переменные:
- целочисленный семафор — State, указывающий состояние системы;
- очередь — fork, которая формируется из форк-процессов.
Порядок обработки прерывания:
- выполняется первичная (предварительная) обработка прерывания с закрытыми масками прерывания;
- выполняется вызов подпрограммы fork;
- вторичная обработка прерывания с использованием системных переменных и услуг.
Особенности: при первичной обработке выполняются самые необходимые действия (распознавание и вызов), после этого прерывание для вторичной обработки помещается в fork-очередь.
Источник: studfile.net
Программные прерывания
Хотя большинство прерываний генерируется аппаратно, ядро Windows тоже может генерировать прерывания — только они являются программными. Этот вид прерываний служит для решения многих задач, в том числе:
· инициации диспетчеризации потоков;
· обработки прерываний, не критичных по времени;
· обработки событий таймеров;
· асинхронного выполнения какой-либо процедуры в контексте конкретного потока;
· поддержки асинхронного ввода-вывода. Эти задачи подробно рассматриваются ниже.
Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Прерывание– это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через нее – к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.
Переключение по прерыванию отличается от переключения, которое происходит по команде безусловного или условного перехода, предусмотренной программистом в потоке команд приложения. Переход по команде происходит в заранее определенных программистом точках программы. Прерывание же происходит в произвольной точке потока команд программы, которую программист не может прогнозировать. Сходство прерываний с процедурами состоит в том, что в обоих случаях выполняется некоторая подпрограмма, обрабатывающая специальную ситуацию, а затем продолжается выполнение основной ветви программы.
В зависимости от источника прерывания делятся на три больших класса: внешние, внутренние и программные.
Внешние (аппаратные) прерывания могут формироваться в результате действий пользователя или аппаратных устройств, например, контроллеров внешних устройств ввода-вывода, датчиков. Данный класс прерываний является асинхронным по отношению к потоку инструкций прерываемой программы. Аппаратура процессора работает так, что асинхронные прерывания возникают между выполнением двух соседних инструкций, при этом система после обработки прерывания продолжает выполнение процесса, уже начиная со следующей инструкции.
Внутренние прерывания, называемые также исключениями (exeption), происходят синхронно выполнению программы при появлении аварийной ситуации в ходе исполнения некоторой инструкции программы. Примерами исключений являются деление на ноль, ошибки защиты памяти, обращения по несуществующему адресу и т. п. Исключения возникают непосредственно в ходе выполнения тактов команды («внутри» выполнения).
Программные прерывания отличаются от предыдущих двух классов тем, что они по своей сути не являются «истинными» прерываниями. Программное прерывание возникает при выполнении особой команды процессора, выполнение которой имитирует прерывание, то есть переход на новую последовательность инструкций.
Прерываниям приписывается приоритет, с помощью которого они ранжируются по степени важности и срочности.
Прерывания обычно обрабатываются модулями операционной системы, так как действия, выполняемые по прерыванию, относятся к управлению разделяемыми ресурсами ВС. Процедуры, вызываемые по прерываниям, обычно называют обработчиками прерываний или процедурами обслуживания прерываний (Interrupt Service Routine, ISK). Аппаратные прерывания обрабатываются драйверами соответствующих внешних устройств, исключения – специальными модулями ядра, а программные прерывания – процедурами ОС, обслуживающими системные вызовы. Кроме этих модулей в операционной системе может находиться так называемый диспетчер прерываний, который координирует работу отдельных обработчиков прерываний.
В начале прерывания использовались в основном для управления процессором устройствами ввода-вывода. Затем прерывания стали использовать для организации внутренней работы ЭВМ. В соответствии с этим существуют следующие типы прерываний:
1. Аппаратные прерывания – прерывания от устройств компьютера.
2. Программные прерывания – прерывания, которые вырабатывают процессы, находящиеся на стадии выполнения.
3. Логические прерывания – Эти прерывания вырабатывает сам процессор, когда встречается с каким-либо необходимым условием:
2. переполнение регистров микропроцессора
3. пошаговое выполнение программ
4. режим контрольных точек.
Каждое прерывание имеет два параметра:
1. Номер прерывания
2. Вектор прерывания.
Вектор прерывания– это адрес ячейки памяти, где хранится программа – обработчик прерывания.
Прерывания обозначаются — IRQ.
Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению того, в какой момент необходимо прервать выполнение текущего активного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться, называется планированием.
Диспетчеризациязаключается в реализации найденного в результате планирования (динамического или статистического) решения, то есть в переключении процессора с одного потока на другой. Прежде чем прервать выполнение потока, ОС запоминает его контекст, с тем, чтобы впоследствии использовать эту информацию для последующего возобновления выполнения данного потока. Контекст отражает, во-первых, состояние аппаратуры компьютера в момент прерывания потока: значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы процессора, флаги, маски прерываний и другие параметры. Во-вторых, контекст включает параметры операционной среды, а именно ссылки на открытые файлы, данные о незавершенных операциях ввода-вывода и т. д.
Диспетчеризация сводится к следующему:
· сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;
· загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;
· запуск нового потока на выполнение.
Поскольку операция переключения контекстов существенно влияет на производительность вычислительной системы, программные модули ОС выполняют диспетчеризацию потоков совместно с аппаратными средствами процессора.
Уровни запросов программных прерываний
Хотя контроллеры прерываний различают уровни приоритетов прерываний, Windows использует свою схему приоритетов прерываний, известную под названием уровни запросов прерываний (interrupt request levels, IRQL). Внутри ядра IRQL представляются в виде номеров 0-31 в системах x86 и 0-15 в системах x64 и IA64, причем больший номер соответствует прерыванию с более высоким приоритетом.
Ядро определяет стандартный набор IRQL для программных прерываний, a HAL увязывает IRQL с номерами аппаратных прерываний. IRQL, определенные для архитектуры x86, показаны на рис. 3–3, а аналогичные сведения для архитектур x64 и IA64 — на рис. 3–4.
ПРИМЕЧАНИЕ Уровень SYNCH_LEVEL, используемый многопроцессорными версиями ядра для защиты доступа к индивидуальным для каждого процессора блокам PRCB (processor control blocks), не показан на этих схемах, так как его значение варьируется в разных версиях Windows. Описание SYNCH_LEVEL и его возможных значений.
Рис. 3–4. Уровни запросов прерываний (IRQL) в системах x64 и IA64
Прерывания обслуживаются в порядке их приоритета, и прерывания с более высоким приоритетом вытесняют обработку прерываний с меньшим приоритетом. При возникновении прерывания с высоким приоритетом процессор сохраняет информацию о состоянии прерванного потока и активизирует сопоставленный с данным прерыванием диспетчер ловушки.
Последний повышает IRQL и вызывает процедуру обслуживания прерывания (ISR). После выполнения ISR диспетчер прерывания понижает IRQL процессора до исходного уровня и загружает сохраненные ранее данные о состоянии машины. Прерванный поток возобновляется с той точки, где он был прерван. Когда ядро понижает IRQL, могут «материализоваться» ранее замаскированные прерывания с более низким приоритетом. Тогда вышеописанный процесс повторяется ядром для обработки и этих прерываний.
Уровни приоритетов IRQL имеют совершенно иной смысл, чем приоритеты в схеме планирования потоков. Приоритет в этой схеме является атрибутом потока, тогда как IRQL — атрибутом источника прерывания, например клавиатуры или мыши. Кроме того, IRQL каждого процессора меняется во время выполнения команд операционной системы.
Значение IRQL определяет, какие прерывания может получать данный процессор. IRQL также используется для синхронизации доступа к структурам данных режима ядра (о синхронизации мы поговорим позже). При выполнении поток режима ядра повышает или понижает IRQL процессора либо напрямую (вызовом соответственно KeRaiseIrql или KeLowerIrqL), либо — что бывает гораздо чаще — опосредованно (через функции, которые обращаются к синхронизирующим объектам ядра). Как показано на рис.3–5, прерывания от источника с IRQL, превышающим текущий уровень, прерывают работу процессора, а прерывания от источников, IRQL которых меньше или равен текущему уровню, маскируются до тех пор, пока выполняемый поток не понизит IRQL.
Поскольку доступ к PIC — операция довольно медленная, в HAL, использующих PIC, реализован механизм оптимизации «отложенный IRQL» (lazy IRQL), который избегает обращений к PIC Когда IRQL повышается, HAL — вместо того чтобы изменять маску прерывания — просто отмечает новый IRQL. Если вслед за этим возникает прерывание с более низким приоритетом, HAL устанавливает маску прерывания в соответствии с первым и откладывает обработку прерывания с более низким приоритетом до понижения IRQL. Таким образом, если при повышенном IRQL не возникнет прерываний с более низким приоритетом, HAL не потребуется обращаться к PIC.
Поток режима ядра повышает и понижает IRQL процессора, на котором он выполняется, в зависимости от того, что именно делает этот поток. Например, обработчик ловушки (или сам процессор) при прерывании повышает IRQL процессора до IRQL источника прерывания.
B результате все прерывания с более низким или равным IRQL маскируются (только на этом процессоре), что не дает прерыванию с таким же или более низким IRQL помешать процессору обработать текущее прерывание. Замаскированные прерывания либо обрабатываются другим процессором, либо откладываются до понижения IRQL. Поэтому все системные компоненты, в том числе ядро и драйверы устройств, пытаются удерживать IRQL на уровне passive («пассивный»), иногда называемом низким уровнем. Если бы IRQL долго оставался неоправданно высоким, драйверы устройств не смогли бы оперативно реагировать на аппаратные прерывания.
Источник: megaobuchalka.ru
Обработка прерывания в реальном режиме
Должно произойти так, чтобы потом вернуться и продолжить работу. Для этого необходимо сохранить содержимое регистров, так как они являются ресурсами, разделяемыми между программами.
Обязательными для сохранения являются регистры cs, ip, flags (пара CS:IP содержит адрес команды, с которой необходимо начать выполнение после возврата, flags — состояние флагов после выполнения последней команды прерванной программы).
. Эти регистры сохраняются микропроцессором автоматически. Сохранение остальных регистров — должно обеспечиваться программистом.
Наиболее удобным местом хранения регистров является стек.
После сохранения регистров в стеке микропроцессор сбрасывает бит флага IF (т.е.=0) (. В стеке при этом записан регистр flags с еще установленным IF. ) Этим предотвращается возможность возникновения вложенных внешних прерываний и порча регистров исходной программы вследствие неконтролируемых действий со стороны программы — обработчика вложенного прерывания. После того как необходимые действия по сохранению контекста завершены, обработчик аппаратного прерывания может разрешить вложенные прерывания командой sti.
2) переход к выполнению и выполнение программы обработки прерывания;
Здесь определяется источник прерывания и вызывается соответствующий обработчик прерывания.
Как уже отмечалось ранее, самое начало оперативной памяти от адреса 00000h до 003FFh (первые 1024 байт) отводится под векторы прерываний — 4-байтовые области, в которых хранятся адреса обработчиков прерываний. В два старших байта каждого вектора записывается сегментный адрес обработчика, в два младших — смещение точки входа в обработчик. Векторы, как и соответствующие им прерывания, имеют номера, причем вектор с номером 0 располагается начиная с адреса 0, вектор 1 — с адреса 4, вектор 2-е адреса 8 и т. д. Вектор с номером n занимает, таким образом, байты памяти от n *4 до n *4+3. Всего в выделенной под векторы области памяти помещается 256 векторов.
Например, прерывание 21h занимает в этой таблице 33 место (21h – это 33 в десятичной системе счисления). Зная номер прерывания, процессор просто умножает его на 4, затем обращается к таблице и получает там адрес перехода.
Увидеть этот адрес можно и вручную, если правильно настроить один из сегментных регистров. Например, адрес перехода для прерывания 21h можно получить так:
mov ax, 0mov es, ax; es =0mov bx, 21h; номер прерыванияshl bx, 2; умножим на 4mov ax, es:[bx];смещениеmov dx, es:[bx+2];сегмент
Итак на втором этапе микропроцессор
1. По номеру источника прерывания определяет смещение в таблице векторов прерываний
2. Помещает первые два байта в регистр IP
3. Помещает вторые два байта в регистр CS
4. Передает управление по адресу CS:IP
Далее выполняется сама программа обработки прерывания.
(Она тоже может быть прервана поступлением запроса от более приоритетного источника. Все источники прерывания имеют приоритеты.)
3) возврат управления прерванной программе.
Необходимо привести стек в состояние, в котором он был сразу после передачи управления данной процедуре. Для этого программист должен указать необходимые действия по восстановлению регистров и очистке стека. Этот участок необходимо защитить от возможного искажения содержимого регистров (в результате появления аппаратного прерывания) с помощью команды cli.
Последние команды в в обработчике прерывания — sti, iret (interrupt return)
sti — разрешить аппаратные прерывания (устанавливает флаг IF=1, не имеет операндов).
iret — извлечь последовательно три слова из стека и поместить их соответственно в регистры ip, cs, flags.
В действительности запросы на обработку прерываний могут иметь различную природу. Помимо описанных выше аппаратных прерывания от периферийных устройств, называемых часто внешними, имеются еще два типа прерываний: внутренние и программные.
Внутренние прерывания возбуждаются цепями самого процессора при возникновении одной из специально оговоренных ситуаций, например при выполнении операции деления на нуль или при попытке выполнить несуществующую команду. За каждым из таких прерываний закреплен определенный вектор, номер которого известен процессору. Например, за делением на.0 закреплен вектор 0, а за неправильной командой — вектор 6. Если процессор сталкивается с одной из таких ситуаций, он выполняет описанную выше процедуру прерывания, используя закрепленный за этой ситуацией вектор прерывания.
Чрезвычайно важным типом прерываний являются программные прерывания. Они вызываются командой int с числовым аргументом, который рассматривается процессором как номер вектора прерывания. Если в программе встречается, например, команда
то процессор выполняет ту же процедуру прерывания, используя в качестве номера вектора операнд команды int. Программные прерывания применяются в первую очередь для вызова системных обслуживающих программ — функций DOS и BIOS. С командой int 21h вызова DOS мы уже сталкивались ранее и будем встречаться еще многократно. В дальнейшем будут также приведены примеры использования команды int для вызова прикладных обработчиков программных прерываний.
Важно подчеркнуть, что описанные действия процессора выполняются совершенно одинаково для всех видов прерываний — внутренних, аппаратных и программных, хотя причины, возбуждающие процедуру прерывания, имеют принципиально разную природу.
Всего, как уже было сказано, в памяти отводится место под 256 векторов прерываний. Некоторые из них практически не используются; к другим, наоборот, приходится обращаться едва ли не в каждой программе.
Как видно из приведенной таблицы, векторы прерываний можно разбить на
• векторы внутренних прерываний процессора (Olh, 02h и др.);
• программы BIOS обслуживания аппаратуры компьютера A0h, 13h, 16h и др.);
• программы DOS B1h, 22h, 23h и др.);
• адреса системных таблиц BIOS (lDh, lEh и др.).
Системные программы, адреса которых хранятся в векторах прерываний, в большинстве своем являются всего лишь диспетчерами, открывающими доступ к большим группам программ, реализующих системные функции. Так, программа BIOS обслуживания видеосистемы (вектор 10h) включает функции смены видеорежима, управления курсором, задания цветовой палитры, загрузки шрифтов и многие другие. Особенно характерен в этом отношении вектор 21h, через который, как мы уже знаем, осуществляется вызов практически всех функций DOS, используемых в прикладных программах: ввода с клавиатуры и вывода на экран, обслуживания файлов, каталогов и дисков, управления памятью и процессами, службы времени и т. д. Однако ряд функций DOS реализуются через другие векторы. Так, для прямого доступа к гибким и жестким дискам (не по имени файла, а по номеру сектора на диске) предусмотрены специальные программные векторы 25h и 26h, а обработка введенной с клавиатуры команды Ctrl+C выполняется с помощью вектора 23h.
Источник: studopedia.ru