Прерывания

Как правило, регистры контроллеров содержат один или несколько битов состояния. Их можно проверить и определить, завершена ли операция вывода и имеются ли новые данные в устройстве ввода. В дополнение к битам состояния, многие контроллеры часто используют прерывания, которые позволяют сообщить процессору, что регистры готовы для записи или чтения.

Прерывание – это принудительная передача управления от выполняемой программы к операционной системе (а через нее – к соответствующей программе обработки прерываний), происходящая при возникновении определенного события. Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Прерывание непременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Прерывания осуществляются с помощью контроллера прерываний. Количество входов этого контроллера ограничено. Например, у персональных компьютеров Pentium только 15 линий прерывания доступны для устройств ввода-вывода. Некоторые из контроллеров устаревших компьютеров встроены в материнскую плату, как, например, контроллер клавиатуры на IBM PC. У тех контроллеров, что вставляются в разъем на объединительной плате, установить соответствие между IRQ сигналом и устройством иногда можно при помощи перемычек или переключателей. Если пользователь приобретал новую карту, он был вынужден вручную устанавливать линию прерывания, чтобы избежать ее конфликта с существующими устройствами. Большинство пользователей совершало в этом ошибки, что, в конечном счете, привело к появлению механизма автоконфигурирования (Plug and Play), благодаря которому BIOS самостоятельно назначает устройствам корректные линии прерывания на этапе загрузки системы.

Главные функции механизма прерываний следующие:

1. распознавание прерываний;

2. передача управления соответствующему обработчику прерываний;

3. корректное возвращение к прерванной программе.

Прерывания бывают внешние(асинхронные) и внутренние (синхронные).

Внешние прерывания – это:

1. прерывания от таймера;

2. прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу-выводу);

3. прерывания по нарушению питания;

4. прерывания с пульта оператора вычислительной системы;

5. прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются следующие запросы на прерывания:

1. при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);

2. при наличии в поле кода операции незадействованной двоичной комбинации;

3. при делении на ноль;

4. вследствие переполнения или исчезновения порядка;

5. от средств контроля (например, вследствие обнаружения ошибки четности, ошибок в работе различных устройств).

Могут еще существовать прерывания в связи с попыткой выполнить команду, которая сейчас запрещена. Во многих компьютерах часть команд должна выполняться только кодом самой операционной системы, но не прикладными программами. Это делается с целью повышения защищенности выполняемых на компьютере вычислений. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и пользовательские программы выполняются в режиме, в котором некоторое подмножество команд, называемых привилегированными, не исполняется. К привилегированным командам помимо команд ввода-вывода относятся и команды переключения режима работы центрального процессора, и команды инициализации некоторых системных регистров процессора. При попытке использовать команду, запрещенную в данном режиме, происходит внутреннее прерывание, и управление передается самой операционной системе.

Наконец, существуют собственно программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерываний, то есть по этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Этот механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход на подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычное прерывание.

Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющей программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерывания.

Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке, им (как уже отмечалось) присваиваются приоритеты. Сигнал с более высоким приоритетом обрабатывается в первую очередь, обработка остальных сигналов прерывания откладывается.