Важнейшая роль в реализации сложных режимов работы отводится системе прерывания программ.
Прерывание — это приостанов выполнения в процессоре программы с целью выполнения какой-то более важной или нужной в данный момент другой программы или процедуры, после завершения которой продолжается выполнение прерванной программы с момента ее прерывания. Прерывание позволяет компьютеру приостановить любое свое действие и временно переключиться на другое, как заранее запланированное, так и неожиданное, вызванное непредсказуемой ситуацией в работе машины или ее компонента. Каждое прерывание влечет за собой загрузку определенной программы, предназначенной для обработки возникшей ситуации — программы обработки прерывания.
Организация и управление прерываниями функционально во многом смыкается с управлением задачами — одной из базовых функций операционных систем. Основой для управления процессом одновременного решения нескольких задач (равно как и управления прерываниями) являются процедуры:
[🤔 ОШИБКИ] Rust #20. Обработка ошибок в программе. Тип Result, match «для ошибок», оператор «?» 🔥
q выбора очередной задачи или определения приоритета задачи;
q сохранения информации о статусе задачи при ее прерывании (формирование слова состояния программы);
q упреждения и устранения конфликтов между задачами (координации и синхронизации выполнения задач).
Последовательность действий процессора при реализации прерывания такова. При появлении запроса на прерывание, запланированное заранее или неожиданное, процессор, как правило, после завершения выполнения текущей команды программы анализирует допустимость (разрешенность и приоритетность) данного вида прерывания. Если оно разрешено, процессор производит следующие действия:
q запоминает в стековой памяти текущее состояние прерываемой программы (состояние некоторых регистров МПП, в частности регистров FL, CS, IP, а в микропроцессорах МП80286 и выше — и слова состояния программы, хранящегося в другом регистре МПП);
q посылает источнику запроса на прерывание запрос о причине (коде) прерывания;
q анализирует код запрошенного прерывания (номер прерывания — Ni) и формирует адрес ячейки (AV), хранящей вектор прерывания (вектор-адрес программы обработки прерывания) по формуле AV = 4 · Ni (векторы прерываний занимают начальную 1024-байтовую область ОП с адресами ячеек от 00000 до 00400h (шестнадцатеричный код) так, что адрес вектора вычисляется простым умножением номера прерывания на четыре, так как CS и IP занимают по 2 байта каждый);
q считывает из ОП и записывает в регистры МПП (в регистры FL, CS, IP и т. д.) вектор прерывания и его атрибуты;
q сбрасывает (устанавливает в 0) флаги прерывания (IF) и трассировки (TF);
q выполняет программу обработки прерывания (которую иногда называют драйвером прерывания);
q после выполнения программы обработки прерывания возвращает из стековой памяти параметры прерванной программы в регистры МПП и восстанавливает процесс выполнения прерванной программы.
Видов (номеров) прерывания может быть всего 256, и, соответственно, векторов прерывания (адресов CS:IP программ обработки прерываний) в ОП насчитывается до 256. Классификация видов прерываний показана на рис. 17.2.
Урок 29. Прерывания в операционной системе
Рис. 17.2. Классификация видов прерываний в МП
Прикладные прерывания временно устанавливаются пользователем при многопрограммной работе МП для указания приоритета выполнения прикладных программ (при появлении необходимости выполнения более приоритетной программы текущая менее приоритетная программа прерывается).
Псевдопрерывания служат для запоминания важных фиксированных адресов, которые могут быть использованы в программах, в частности, при условных и безусловных передачах управления (запоминание адресов передачи управления как векторов прерывания возможно благодаря аналогии выполнения прерывания и обращения к процедурам).
Аппаратные прерывания инициируются при обращениях к МП со стороны внешних устройств (таймера, клавиатуры, дисководов, принтера и т. д.) с требованием уделить им внимание и выполнить совместно с ними те или иные процедуры. Прерывания от таймера, например, повторяются 18 раз в секунду, от клавиатуры — при каждом программно не запланированном нажатии некоторых клавиш и т. п. Аппаратные прерывания не координируются с работой программы и могут быть весьма разнообразны. Для их систематизации и определения очередности выполнения при одновременном возникновении нескольких из них обычно используется контроллер прерываний.
Программные прерывания — это обычные процедуры, которые вызывает текущая программа для выполнения предусмотренных в ней стандартных подпрограмм, чаще всего подпрограмм — служебных функций работы с внешними устройствами, то есть фактически программные прерывания ничего не прерывают. Программные прерывания делятся на 2 большие группы, вызывающие служебные функции:
q базовой системы ввода-вывода — прерывания BIOS;
q операционной системы — прерывания DOS.
Программы обработки прерываний DOS, в отличие от программ обработки прерываний BIOS, не встроены в ПЗУ и для разных операционных систем могут быть разными. К программным прерываниям можно отнести также прерывания при пошаговом исполнении программы, при работе с контрольным остановом и т. д.
Технические прерывания (или, иначе, прерывания от схем контроля) возникают при появлении отказов и сбоев в работе технических средств (аппаратуре) ПК. Большинство технических прерываний не маскируются, то есть они разрешаются всегда, а некоторые из них относятся к категории «аварийных» (например, отключение питания), и при их возникновении даже не запрашивается причина прерывания, а просто, по возможности, спасаются важные промежуточные результаты — записываются в безопасное место, в НЖМД, например.
Логические прерывания возникают при появлении ошибок в выполняемых программах (деление на 0, потеря точности мантиссы, нарушение защиты памяти и т. п.). Многие из логических прерываний также относятся к категории немаскируемых.
Прерывания обслуживаются базовой системой ввода-вывода — модулем расширения BIOS и модулем обработки прерываний DOS. BIOS и блок расширения BIOS имеют дело в основном с не планируемыми техническими и логическими прерываниями, пользовательскими прикладными прерываниями, а также со многими планируемыми прерываниями, обслуживающими систему ввода-вывода, детализированными и не очень детализированными (прерывания, обслуживаемые BIOS, часто называют прерываниями нижнего уровня).
Модуль обработки прерываний DOS обслуживает в большинстве планируемые прерывания, в том числе и прерывания системы ввода-вывода. Прерывания DOS часто называют прерываниями верхнего уровня, так как, с одной стороны, в этих прерываниях меньше учитываются технические особенности элементов ПК, с другой стороны, при обработке этих прерываний часто случаются обращения к программам прерываний системы BIOS. Большинство прерываний BIOS имеют близкие аналоги среди прерываний DOS.
Следует сказать, что использование прерываний BIOS позволяет, как правило, более детализировано выполнить обращения к различным системным ресурсам ПК, к элементам информационных структур и их атрибутам. Однако прерывания DOS более просты в использовании при программировании. Поэтому начинающим программистам можно рекомендовать работать с прерываниями DOS, особенно расширенными функциями DOS для работы с файлами. Схема организации приема запросов на прерывания показана на рис. 17.3.
Рис. 17.3. Организация приема запросов на прерывания
Для приема внешних прерываний имеются порты двух типов: NMI (None Masked Interrupt) для приема немаскируемых прерываний и INTR (Interrupt) — для приема прочих прерываний (INTR обычно используется для подсоединения контроллера прерываний). Если запрос на прерывание поступает по входу NMI, то прерывание не маскируется (имеет абсолютный приоритет) и сразу выполняется; по входу INTR прерывание разрешается, если в регистре флагов МПП флаг IF = 1.
Всего предусмотрено 256 типов (0–255) прерываний. Из них только первые 5 жестко закреплены в МП, остальные используются системами BIOS и DOS.
q Тип 0 — прерывание возникает при делении на 0 или если частное от деления переполняет разрядную сетку МП.
q Тип 1 — в режиме «трассировка» (при TF = 1) после выполнения каждой команды программы происходит останов.
q Тип 2 — немаскируемое техническое прерывание.
q Тип 3 — прерывание по команде INT, включенной в программу: останов и отображение содержимого регистров МПП.
q Тип 4 — прерывание по команде INTO, включенной в программу, но только если при выполнении предыдущей команды произошло переполнение разрядной сетки.
q Типы 8–15 — аппаратные прерывания, инициируемые внешними устройствами, поступают на входы IRQ0–IRQ7 контроллера прерываний (вход IRQ0 имеет высший приоритет, и прерывание, поступившее по этому входу, обрабатывается первым; всего уровней приоритета 8 и вход IRQ7 имеет низший приоритет).
q Типы 16–31 — планируемые программные прерывания BIOS.
q Типы 32–255 — программные прерывания DOS (жестко задействовано около 10, а вообще в разных версиях DOS их разное количество).
Прерывания с 0 по 31 и прерывание 64 относятся к прерываниям нижнего уровня, обслуживаемым BIOS; прерывания, начиная с 32 — являются прерываниями верхнего уровня (за исключением прерывания 64); причем прерывание 33 (21h) — это комплексное, чаще всего используемое в программах пользователя прерывание, имеющее около 100 разновидностей (служебных функций DOS).
В некоторых типах прерываний BIOS и DOS имеется много разных функций, иногда более 10. Так, прерывание 10 (Ah) включает в себя 15 функций, прерывание 33 (21h) — около 100 функций: в DOS 1.0 — 47, в DOS 2.0 — 88, в DOS 3.0 и выше — 99 функций (вид функции в рамках каждого прерывания определяется содержимым регистра AH).
В работе [8 ] приведен список прерываний нижнего и верхнего уровня, а также служебных функций DOS наиболее часто используемого программистами прерывания 21h.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru
Прерывания и особые случаи
Прерывание — это изменение естественного порядка выполнения программы, которое связано с необходимостью реакции системы на работу внешних устройств, а также на ошибки и особые ситуации, возникшие при выполнении программы. При этом вызывается специальная программа — обработчик прерываний, специфическая для каждой возникшей ситуации, после выполнения которой возобновляется работа прерванной программы.
Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.
Классификация прерываний представлена на рис. 7.1.
Рис. 7.1. Классификация прерываний
Запросы аппаратных прерываний возникают асинхронно по отношению к работе микропроцессора и связаны с работой внешних устройств.
Запрос от немаскируемых прерываний поступает на вход NMI микропроцессора и не может быть программно заблокирован. Обычно этот вход используется для запросов прерываний от схем контроля питания или неустранимых ошибок ввода/вывода.
Для запросов маскируемых прерываний используется вход INT микропроцессора. Обработка запроса прерывания по данному входу может быть заблокирована сбросом бита IF в регистре флагов микропроцессора.
Программные прерывания, строго говоря, называются исключениями или особыми случаями. Они связаны с особыми ситуациями, возникающими при выполнении программы (отсутствие страницы в оперативной памяти, нарушение защиты, переполнение ), то есть с теми ситуациями, которые программист предвидеть не может, либо с наличием в программе специальной команды INT n, которая используется программистом для вызова функций операционной системы либо BIOS , поддерживающих работу с внешними устройствами. В дальнейшем при обсуждении работы системы прерываний мы будем употреблять единый термин » прерывание » для аппаратных прерываний и исключений, если это не оговорено особо.
Программные прерывания делятся на следующие типы.
Нарушение (отказ) — особый случай, который микропроцессор может обнаружить до возникновения фактической ошибки (например, отсутствие страницы в оперативной памяти); после обработки нарушения программа выполняется с рестарта команды, приведшей к нарушению.
Ловушка — особый случай, который обнаруживается после окончания выполнения команды (например, наличие в программе команды INT n или установленный флаг TF в регистре флагов ). После обработки этого прерывания выполнение программы продолжается со следующей команды.
Авария ( выход из процесса) — столь серьезная ошибка, что некоторый контекст программы теряется и ее продолжение невозможно. Причину аварии установить нельзя, поэтому программа снимается с обработки. К авариям относятся аппаратные ошибки, а также несовместимые или недопустимые значения в системных таблицах.
Порядок обработки прерываний
Прерывания и особые случаи распознаются на границах команд, и программист может не заботиться о состоянии внутренних рабочих регистров и устройств конвейера.
Реагируя на запросы прерываний, микропроцессор должен идентифицировать его источник, сохранить минимальный контекст текущей программы и переключиться на специальную программу — обработчик прерывания. После обслуживания прерывания МП возвращается к прерванной программе, и она должна возобновиться так, как будто прерывания не было.
Обработка запросов прерываний состоит из:
- «рефлекторных» действий процессора, которые одинаковы для всех прерываний и особых случаев и которыми программист управлять не может;
- выполнения созданного программистом обработчика.
Для того чтобы микропроцессор мог идентифицировать источник прерывания и найти обработчик, соответствующий полученному запросу, каждому запросу прерывания присвоен свой номер ( тип прерывания ).
Тип прерывания для программных прерываний вводится изнутри микропроцессора; например, прерывание по отсутствию страницы в памяти имеет тип 14. Для прерываний, вызываемых командой INT n, тип содержится в самой команде. Для маскируемых аппаратных прерываний тип вводится из контроллера приоритетных прерываний по шине данных . Немаскируемому прерыванию назначен тип 2.
Всего микропроцессор различает 256 типов прерываний. Таким образом, все они могут быть закодированы в 1 байте.
«Рефлекторные» действия микропроцессора по обработке запроса прерывания выполняются аппаратными средствами МП и включают в себя:
- определение типа прерывания ;
- сохранение контекста прерываемой программы (некоторой информации, которая позволит вернуться к прерванной программе и продолжить ее выполнение). Всегда автоматически сохраняются как минимум регистры EIP и CS , определяющие точку возврата в прерванную программу, и регистр флагов EFLAGS . Если вызов обработчика прерывания проводится с использованием шлюза задачи, то в памяти полностью сохраняется сегмент состояния TSS прерываемой задачи;
- определение адреса обработчика прерывания и передача управления первой команде этого обработчика.
После этого выполняется программа — обработчик прерывания, соответствующая поступившему запросу. Эта программа пишется и размещается в памяти прикладным или системным программистом. Обработчик прерывания должен завершаться командой I RET , по которой автоматически происходит переход к продолжению выполнения прерванной программы с восстановлением ее контекста.
Для вызова обработчика прерывания микропроцессор при работе в реальном режиме использует таблицу векторов прерываний, а в защищенном режиме — таблицу дескрипторов прерываний.
Таблица векторов прерываний (рис. 7.2) располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит 4байтные элементы ( векторы прерываний ) для 256 обработчиков прерываний. Старшие 2 байта вектора загружаются в сегментный регистр команд CS , а младшие 2 байта — в регистр указателя команд IP . Обращение к элементам таблицы осуществляется по 8-разрядному коду — типу прерывания. Так как таблица всегда имеет нулевой начальный адрес и длину вектора в 4 байта, чтобы определить адрес вектора для прерывания типа i, достаточно просто умножить это значение на 4.
В защищенном режиме для вызова обработчика прерывания используется таблица дескрипторов прерываний IDT . Элементами таблицы являются 8-байтные дескрипторы типа шлюз -пециальные программные структуры, через которые происходит передача управления обработчику.
Рис. 7.2. Таблица векторов прерываний
Обращение к IDT аналогично обращению к глобальной таблице дескрипторов, где вместо системного регистра GDT R используется регистр IDTR , который определяет размер и базовый адрес таблицы в памяти.
Физический адрес дескриптора шлюза, находящегося в IDT , определяется как сумма базового адреса таблицы и умноженного на 8 типа прерывания (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Порядок обращения к таблице дескрипторов прерываний
Содержимое регистра IDTr не сохраняется в сегментах TSS и не изменяется при переключении задачи. Программы не могут обратиться к IDT , так как единственный бит TI индикатора таблицы в селекторе сегмента обеспечивает выбор только между таблицами GDT и LDT .
Максимальный предел таблицы дескрипторов прерываний составляет 256*8 — 1 = 2047.
Можно определить предел меньшим, но это не рекомендуется. Если происходит обращение к дескриптору вне пределов IDT , процессор переходит в режим отключения до получения сигнала по входу NMI или сброса.
В IDT могут храниться только дескрипторы следующих типов:
- шлюз ловушки ,
- шлюз прерывания, шлюз задачи.
Шлюзы ловушки и прерывания сходны со шлюзом вызова, только в них отсутствует поле счетчика WC (рис. 7.4). Так как прерывание является неожиданным событием и не связано с текущей программой, говорить о передаче параметров их обработчику не приходится.
Рис. 7.4. Формат шлюзов ловушки и прерывания
Бит S = 0 в байте доступа определяет этот дескриптор как системный объект . Если поле ТИП в байте доступа равно 1110, то это шлюз прерывания, если 1111 — то шлюз ловушки.
Поле уровня привилегий дескриптора DPL , как правило, устанавливается равным 3 с тем, чтобы к обработчику прерываний могли обращаться программы с любого уровня привилегий.
Бит присутствия P может быть равен как 0, так и 1.
При входе в обработчик через шлюз прерывания в регистре флагов сбрасывается бит разрешения прерываний IF . В этом случае микропроцессор блокирует все маскируемые аппаратные прерывания. Поэтому в обработчике прерываний этот бит должен быть установлен в 1 как можно раньше с тем, чтобы не блокировать работу программ, которые вызываются, например, при обработке прерываний от системного таймера .
При входе в обработчик через шлюз ловушки флаг IF не меняется.
Вызов обработчика через шлюз ловушки , а не шлюз прерывания, чаще реализуют при обработке исключений , так как на период обслуживания прерывания нежелательно выключать механизм разделения времени, использующий прерывания таймера.
Вызов обработчика через шлюз задачи обычно осуществляется при обработке аппаратных прерываний, так как такая обработка не связана с текущей выполняемой задачей. При этом возможен механизм вложенных прерываний, если прерывания в задаче разрешены. Вызов обработчика прерывания через шлюз задачи осуществляется и при обработке исключений , например, «неразрешенный TSS «, когда поврежденная задача не может вызвать процедуру прерывания. Переключение задач требует примерно в 5 раз больше времени, чем вызов процедуры. Поэтому, если приоритет запроса высок, а программа обслуживания короткая, ее оформляют в виде процедуры.
Источник: intuit.ru