Организация ЭВМ и систем

  7. Организация прерываний и прямого доступа к памяти в вычислительных системах, распределение ресурсов, технология Plug and Play.

  Рассмотрим, как организована система прерываний в IBM-совместимых персональных компьютерах.  Современный процессор предназначен для работы в многопроцессорных системах и организация прерываний претерпела некоторые изменения. Если ранее для организации прерываний применялся только системный контроллер PIC (Programmable Interrupt Controller), то начиная с процессора Pentium каждый современный процессор имеет встроенный контроллер APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) для выполнения ряда новых функций и поддержки ранее введенной системы прерываний. Часть контроллера  APIC - I/O APIC  встраивается в чипсет, обеспечивающий работу процессора в вычислительной системе  и, кроме дополнительных функций, выполняющий функции контроллера PIC, поддерживая аппаратную совместимость с прежними вычислительными системами. Чтобы понять, как работает современная система прерываний, познакомимся с обработкой прерываний на основе контроллера 8259А.

    Обработка прерываний на основе контроллера 8259A

    Программируемый контроллер прерываний PIC 8259A представляет собой устройство, реализующее до восьми уровней запросов на прерывания с возможностью программного маскирования и изменения порядка обслуживания прерываний. 
    За счет каскадного включения  число уровней прерывания может быть расширено до 64. 
    Установка контроллера в исходное состояние и "настройка" его на определенный режим обслуживания прерываний происходит с помощью двух типов команд: команд инициализации (ICW) и команд управления операциями (OCW).
    На рисунке 1 показана структурная схема контроллера прерываний. Контроллер прерываний включает следующие блоки:

• RGI - регистр запросов прерываний  IRQx.
• PRB - схема принятия решений по приоритетам; схема идентифицирует приоритет запросов и выбирает запрос с наивысшим приоритетом.
• ISR - регистр обслуживаемых прерываний; сохраняет  запросы прерываний, находящиеся на обслуживании контроллера прерываний.
• RGM - регистр маскирования прерываний; обеспечивает запрещение одной или нескольких линий запросов прерывания.
• BD - буфер данных; предназначен для сопряжения с системной шиной данных.
• RWCU - блок управления записью/чтением; принимает управляющие сигналы от микропроцессора и задает режим функционирования контроллера прерываний.
• CMP - схема каскадного буфера-компаратора; используется для включения в систему нескольких контроллеров.
• CU - схема управления; вырабатывает сигналы прерывания и формирует трехбайтовую команду CALL для выдачи на шину данных.

Рис.1.  Структура контроллера прерываний 8259А

И так, один контроллер 8259A способен обслуживать прерывания от 8 источников и этого было достаточно для  компьютеров IBM PC ХT. В системах IBM PC AT применяется каскадное соединение двух контроллеров (рис.2), один из которых является ведущим, другой — ведомым. Ведущий контроллер 8259A#1( master) обслуживает запросы 0, 1, 3–7; его выход подключается к входу запроса прерываний процессора. К  входу 2 контроллера 8259A#1 подключен ведомый контроллер 8259A#2 (slave), который обслуживает запросы 8–15. При этом поддерживается вложенность приоритетов — запросы 8–15 со своим рядом убывающих приоритетов вклиниваются между запросами 1 и 3 ведущего контроллера, приоритеты запросов которого также убывают с ростом номера.  В качестве примера отметим, что к линии IRQ 0 подключен системный таймер, к линии IRQ 1 - клавиатура, к линии IRQ 8 - часы реального времени и т.д. Такое каскадное подключение позволяет 15-ти устройствам посылать запрос на обслуживание (прерывание текущей программы).

Рис. 2.  Каскадное включение контроллеров прерываний

    На современных системных платах функции контроллеров прерываний возлагаются на чипсет, который может иметь и более гибкие возможности управления, чем пара контроллеров 8259A. Процедура инициализации контроллеров может отличаться от традиционной,  ею занимается тест POST, который учитывает особенности системной платы. Однако при выполнении операций, связанных с реализацией режима прерывания всегда сохраняется программная совместимость с 8259A. 
    Поскольку в каждый момент времени может поступить более чем один запрос на прерывание, контроллер прерываний имеет схему приоритетов. В основном режиме - режиме полного вложения, - до тех пор, пока установлен разряд в регистре ISR, соответствующий запрашиваемому прерыванию, все последующие запросы с таким же или более низким приоритетом игнорируются, подтверждаются лишь запросы с более высоким приоритетом.

    В циклическом режиме используется круговой порядок использования приоритетов. Последнему обслуженному запросу присваивается низший приоритет, следующему по кругу - наивысший, что гарантирует обслуживание остальных устройств до очередного обслуживания данного устройства.

    Контроллер допускает маскирование отдельных запросов прерываний, что позволяет устройствам с более низким приоритетом получить возможность генерировать прерывания. Режим специального маскирования разрешает прерывания всех уровней, кроме уровней, обслуживаемых в данный момент.

    Кроме того, для каскадного включения возможен специальный режим полного вложения. Этот режим программируется при инициализации контроллера. В данном режиме игнорируются запросы с приоритетом более низким, чем приоритет обрабатываемого в данный момент запроса, и обслуживаются все запросы с равным или более высоким приоритетом.

    Взаимодействие контроллера прерываний с внешним устройством осуществляется по следующей схеме. Пусть в некоторый момент времени контроллер клавиатуры с помощью единичного сигнала по линии IRQ 1 известил контроллер прерываний о своей готовности к обмену. В ответ на запрос контроллер прерываний генерирует сигнал INTR (запрос на прерывание) и посылает его на соответствующий вход процессора. Процессор, если маскируемые прерывания разрешены (т.е. установлен флаг прерываний IF в регистре флагов процессора), посылает на контроллер шины сигналы R# - чтение, C# - управление и IO# - ввод/вывод, определяющие тип цикла шины. Контроллер шины, в свою очередь, генерирует два сигнала подтверждения прерывания INTA# и направляет их на контроллер прерываний. По второму импульсу контроллер прерываний выставляет на шину данных восьмибитный номер вектора прерывания, соответствующий данной линии IRQ.

В режиме реального адреса ("реальном" режиме) векторы прерываний хранятся в таблице векторов прерываний, которая находится в первом килобайте оперативной памяти. Под каждый вектор отведено 4 байта (2 байта под адрес сегмента и 2 байта под смещение), т.е. в таблице может содержаться 256 векторов. 

Далее процессор считывает номер вектора прерывания. Сохраняет в стеке содержимое регистра флагов, сбрасывает флаг прерываний IF и помещает в стек адрес возврата в прерванную программу (регистры CS и IP). После этого процессор извлекает из таблицы векторов прерываний адрес подпрограммы обработки прерываний для данного устройства и приступает к ее выполнению.

Процедура обработки аппаратного прерывания должна завершаться командой конца прерывания EOI (End of Interruption), посылаемой контроллеру прерываний. Для этого необходимо записать байт 20h в порт 20h (для первого контроллера) и в порт A0h (для второго).

В IBM PC/AT используется режим прерываний с фиксированными приоритетами.  Как мы уже отмечали, высшим приоритетом обладает запрос по линии IRQ0, низшим - IRQ7. Так как второй контроллер подключен к линии IRQ2 первого контроллера, то приоритеты линий IRQ в порядке убывания приоритета располагаются следующим образом: IRQ0, IRQ1, IRQ8 - IRQ15, IRQ3 - IRQ7. Если запрос на обслуживание посылают одновременно два устройства с разными приоритетами, то контроллер обслуживает запрос с большим приоритетом, а запрос с меньшим приоритетом блокирует. Блокировка сохраняется до получения команды EOI. В таблице 1. приведены источники прерываний, соответствующие им линии запроса, расположенные по убыванию приоритета - P, вектор1 - значение вектора в таблице векторов реального режима (реального адреса), вектор2 - значение вектора, который использует операционная система (в защищенном режиме).
Таблица прерываний защищённого режима называется дескрипторной таблицей прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). 

Дескрипторная таблица прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table) располагается  по адресу, который заносится в 5-байтовый внутренний регистр процессора IDTR. Регистр IDTR содержит 24-битовый физический адрес дескрипторной таблицы прерываний IDT и её предел. 

Для обработки особых ситуаций - исключений был зарезервирован 31 номер прерывания. В таблице 2 приведён полный список зарезервированных прерываний защищённого режима.

Таблица 2. Зарезервированные прерывания защищённого режима.

 

00h	Ошибка при выполнении команды деления.
01h	Прерывание для пошаговой работы, используется отладчиками.
02h	Немаскируемое прерывание.
03h	Прерывание по точке останова для отладчиков.
04h	Переполнение, генерируется командой INTO, если установлен флаг переполнения OF.
05h	Генерируется при выполнении машинной команды BOUND, если проверяемое значение вышло за пределы заданного диапазона.
06h	Недействительный код операции, или длина команды больше 10 байт.
07h	Отсутствие арифметического сопроцессора.
08h	Двойная ошибка, вырабатывается в том случае, если при обработке исключения возникло ещё одно исключение. Если во время обработки этого прерывания возникает третье исключение, процессор переходит в состояние отключения, что приводит к перезапуску процессора.
09h	Превышение сегмента арифметическим сопроцессором.
0Ah	Недействительный сегмент состояния задачи TSS.
0Bh	Отсутствие сегмента. Вырабатывается при попытке использовать для адресации дескриптор, у которого бит присутствия сегмента в памяти P сброшен в 0. Это прерывание используется для реализации механизма виртуальной памяти. В этом случае по прерыванию 0Bh операционная система может выполнить подкачку отсутствующего сегмента в память.
0Ch	Исключение при работе со стеком. Может возникать в случае отсутствия сегмента стека в памяти или в случае переполнения (антипереполнения) стека.
0Dh	Исключение по защите памяти. Возникает при любых попытках получения доступа к сегментам памяти, если программа обладает недостаточным уровнем привилегий.
0Eh	Отказ страницы для процессоров i80386 или i80486, зарезервировано для i80286.
0Fh	Зарезервировано.
10h	Исключение сопроцессора.
11h - 1Ah	Зарезервированы.

Перед тем, как передать управление обработчику исключения,   процессор для некоторых исключений помещает в стек 16-битовый код ошибки. Код ошибки программа  анализирует и получает дополнительную информацию об ошибке. Коды ошибок включаются в стек не  только для следующих исключений:

• 08h - двойная ошибка;
• 0Ah - недействительный сегмент состояния задачи TSS;
• 0Bh - отсутствие сегмента в памяти;
• 0Ch - исключение при работе со стеком;
• 0Dh - исключение по защите памяти.

Заметим, что аналога коду ошибки для зарезервированных прерываний в реальном режиме нет.
       Рассмотрим следующий пример:
        Пусть в нашей системе реализована виртуальная память. Программа в некоторый момент времени обратилась к отсутствующему в оперативной памяти сегменту, выполняя какую-либо команду, например MOV или ADD.
    Возникло исключение 0Bh - отсутствие сегмента в памяти. Обработчик этого исключения, входящий в состав операционной системы поместил соответствующий сегмент в оперативную память. Затем выполнение прерванной команды повторяется.
    Это можно сделать, так как для всех повторно запускаемых исключений (кроме 03h - прерывание по точке останова и 04h - переполнение) в стек включается адрес не следующей за прерванной командой, а адрес первого байта команды, которая вызвала исключение. Выполнив команду IRET, программа обработки исключения вновь передаст управление прерванной команде.
    Свойством повторной запускаемости обладает большинство зарезервированных прерываний, кроме следующих:

• 01h - прерывание для пошаговой работы;
• 08h - двойная ошибка;
• 09h - превышение сегмента сопроцессором;
• 0Dh - исключение по защите памяти;
• 10h - исключение сопроцессора.

    После возврата процессора в реальный режим необходимо восстановить состояния контроллера прерываний. При этом BIOS перепрограммирует контроллер прерываний для работы в реальном режиме 
    При загрузке операционной системы, после инициализации процедурой POST,  все неиспользуемые входы контроллеров будут замаскированы (на запросы прерываний реагировать не будут),  их векторы прерываний указывают на процедуру с единственной инструкцией IRET (возврат). Для подключения программы обработчика прерывания необходимо загрузить обработчик в память и установить указатель на него в таблице прерываний, размаскировать соответствующий ему вход в контроллере прерываний, для чего выполняется  обнуление соответствующего бита регистра маски. Если же  обработчик прерывания удаляется из памяти, предварительно должен быть замаскирован соответствующий ему вход контроллера. Все изменения в таблице прерываний должны выполняться при замаскированных прерываниях, чтобы избежать попытки использования вектора в процессе его модификации. 
    Для устройств PCI выделяется четыре проводных линии запросов (IRQX, IRQY, IRQZ, IRQW), соединяемых с контактами INTA#, INTB#, INTC# и INTD# всех слотов PCI с циклическим смещением цепей.  Таким образом, на слотах PCI остаются доступными лишь четыре обычные линии запросов.
Устройство PCI вводит сигнал прерывания низким уровнем  на выбранную линию INTx#. Этот сигнал должен удерживаться до тех пор, пока программный драйвер, вызванный по прерыванию, не сбросит запрос прерывания, обратившись по шине к данному устройству. Если после этого контроллер прерываний снова обнаруживает низкий уровень на линии запроса, это означает, что запрос на ту же линию ввело другое устройство, разделяющее данную линию с первым, и оно тоже требует обслуживания.    
    Линии запросов от слотов PCI и PCI-устройств системной платы коммутируются на входы контроллеров прерываний относительно произвольно. Конфигурационное программное обеспечиние может определить и указать занятые линии запросов и номер входа контроллера прерываний обращением к конфигурационному пространству устройства. Программный драйвер, прочитав конфигурационные регистры, тоже может определить эти параметры для того, чтобы установить обработчик прерываний на нужный вектор и при обслуживании сбрасывать запрос с требуемой линии.
    Каждая функция устройства PCI может задействовать свою линию запроса прерывания, но его обработчик прерывания должен быть готовым к ее разделению (совместному использованию) с другими устройствами.