Механизмы организации подпрограмм и прерываний

Преимущества использования подпрограмм и модульного подхода
1. Появляется возможность выделить в программе одинаковые фрагменты и оформить их отдельным модулем, используя его каждый раз, когда требуется выполнить соответствующие вычисления. Это позволяет значительно сократить объем программы.
2. В подавляющем большинстве случаев гораздо легче спроектировать и отладить десяток небольших модулей, реализующих достаточно простые функции, а затем связать их между собой с помощью опять же небольшой управляющей программы, чем проектировать и отлаживать большую программу, созданную единым модулем, часто со сложной, сетевой структурой.
3. появляется возможность коллективной разработки крупных проектов программ коллективами программистов, при этом каждый из них выполняет отдельный, функционально автономный и самостоятельный модуль в соответствии с полученными спецификациями.

Вызов подпрограммы
RAM
Основная
(главная)
программа
подпрограмма
Точка вызова(адрес вызова)
Точка возврата
(адрес возврата)(как правило,
следующая за командой
вызова команда)
Точка входа

Механизм передачи и возврата управления с использованием стека
Call SUB
RET
IP
CALL SUB
стек
подпрограмма
sub
1. IP (SP)
2. SUB->IP
IP
1. (SP) IP
ret
1
2
стек

Механизм передачи и возврата управления с использованием стека и регистра связи
Call SUB
RET
IP
CALL SUB
стек
подпрограмма
sub
1. (Rlink) (SP)
2. (IP)-> Rlink
3. SUB->IP
Rlink
2
1
3
IP
Rlink
1
2
1. Rlink->IP
2. (SP) (Rlink)

Требования к подпрограмме
при передаче управления
1. Подпрограмма может в ходе своей работы использовать регистры процессора. Для того, чтобы не испортить значения регистров основной программы, подпрограмма должна начинать свою работу с сохранения содержимого используемых ей регистров процессора, а перед возвратом в основную программу обеспечивать восстановление их содержимого. Cодержимое регистров может сохраняться либо в стеке, либо в области памяти, доступной подпрограмме.
2. Перед возвратом управления из подпрограммы в основную программу стек должен быть сбалансирован, т.е. при выходе из подпрограммы он должен иметь то же состояние, что и при входе в подпрограмму(по крайней мере, его вершина).

Передача параметров подпрограммам
При рассмотрении внутренних механизмов передачи параметров можно выделить несколько способов передачи, а именно:
1. передача параметров с использованием общей области памяти;
2. передача параметров через регистры процессора;
3. передача параметров через стек;
4. передача параметров комбинированными способами, в том числе через использование таблицы адресов параметров.

передача параметров с использованием общей области памяти
Главная программа
подпрограмма
Общая область памяти
значение параметра a
значение параметра b
значение параметра с
stor a,A
load a,A
A,B,C – глобальные переменные
достоинства: простота и
“прозрачность” организации
недостатки: “жесткая” привязка к
структуре общей области

Передача параметров через регистры процессора
Главная программа
подпрограмма
РОН
достоинства: простота и скорость
доступа
недостаток: ограниченное
количество регистров процессора
стандарт де-факто для функций

Передача параметров через стек
Главная программа
подпрограмма
Load a,ap
Push a
Load a,bp
Push a
Call subr
Адрес возврата
Параметр bp
Параметр ap
SP
Pop a
Stor a,retaddr
Pop a
Stor a,p1
Pop a
Stor a,p2
. . . . . . . . . .
Load a,retaddr
Push a
ret
или
Load a,2(sp)
…......
Load a,3(sp)
…......
Стандартный метод
Передачи параметров

Комбинированные методы (таблица адресов параметров)
Главная программа
подпрограмма
Таблица адресов
Адрес параметра 1
Адрес параметра 2
Адрес параметра 3
РОН
Или стек
Адрес таблицы адресов
Адрес таблицы адресов
Адрес возврата
Доступ в п/п
Load a,1(a) ; в Rа адрес пар 2
Load a,0(a) ; в Rа-значение пар2
Доступ в п/п
Load a,2(sp) ; в Rа адрес табл.
Load a,1(a) ; в Rа-адр.пар.2
Load a,0(a) ; в Ra-пар-р 2
достоинства: произвольное число
параметров, переменное число параметров
недостаток: косвенная адресация – долго
работает

Прерывания
Прерывание - это временное прекращение выполнения процессором последовательности команд одной программы с целью выполнения другой, имеющей в данный момент времени более высокий приоритет.
прерывания
аппаратные
программные
внешние
внутренние
маскируемые
немаскируемые

Внешние прерывания для организации ввода/вывода
Регистр состояния
Регистр данных
CPU
RAM
Общая шина
Контроллер
Периферийного
устройства
PIC
IRQ 0
запрос
ответ
Регистр команд
IRQ1
IRQ2
IRQ3
IRQ4
IRQ5
IRQ6
IRQ7
INT
INTA
Базовые регистры PIC:
IRR – запроса прерывания
ISR – обслуживания прер.
IMR- маскирования прер.
Развитие: APIC, MSI
IRR
ISR
IMR

Структура подсистемы прерываний в SMP-системах
CPU 1
CPU2
Local APIC
Local APIC
I/O APIC
. . .

Обработка прерывания процессором
Адрес ISR 1
Адрес ISR 2
Адрес ISR 3
Адрес ISR N
RAM ROM
ISR 2
ISR1
ISR N
ISR 3
1. PC (SP) , F (SP)
2. по коду прерывания
вычисляется вектор прерывания, содержащий
aдрес ISR(interrupt service routine)
3. Адрес ISR → PC :
Начинает работать ISR
Перед завершением
обработки прерывания при
необходимости
“сбрасывается” бит
обработки в PIC
Выход из обработки – IRET :
(SP) F , (SP) PC

Немаскируемые прерывания
(NMI)
Аппаратные прерывания, немаскируемые
обычным способом, через регистр маски
контроллера прерываний.
Обрабатываются всегда, вне зависимости
от состояния запрета обработки прерываний.
Служат для сигнализации неисправимых
аппаратных сбоев или для целей отладки

Внутренние аппаратные прерывания
Сигнализируют о нарушении нормального хода
вычислительного процесса;
Немаскируются;
Примеры:
деление на 0;
переполнение стека;
нарушение защиты памяти;
недопустимая инструкция;
отсутствие страницы в памяти;