Прерывания. Обработка прерываний в реальном режиме работы микропроцессора

Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы.
Прерывание − это процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возобновлением выполнения прерванной программы.

Нажимая клавишу на клавиатуре, мы инициируем немедленный вызов программы, которая распознает клавишу, заносит ее код в буфер клавиатуры, из которого он считывается другой программой. Т.е. на некоторое время микропроцессор прерывает выполнение текущей программы и переключается на программу обработки прерывания, так называемый обработчик прерывания.

После того, как обработчик прерывания завершит свою работу, прерванная программа продолжит выполнение с точки, где было приостановлено ее выполнение.
Адрес программы-обработчика прерывания вычисляется по таблице векторов прерываний.
Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне.

При обработке прерывания нужно выполнить следующую последовательность действий:
1) восприятие запроса на прерывание;
2) запоминание состояния прерванного процесса (значение счетчика команд, содержимое регистров, режим работы ЦП и т.д.);

3) передача управления программе обработки прерываний, для чего в счетчик команд заносится адрес, уникальный для каждого типа прерывания;
4) обработка прерывания;
5) восстановление нормальной работы.

В большинстве ЭВМ этапы 1-3 реализуется аппаратно, а этапы 4-5 - операционной системой.
ЦП может функционировать в одном из четырех независимых состояний:
P1 – выполнение прикладных программ,
P2 – обработка прерываний,
P3 – анализ прерываний,
P4 – обработка прерываний от схем контроля машины.

В состоянии P1 выполняются программы пользователя, выполнение любого прерывания допустимо.
В состоянии P2 выполняется программа соответствующего обработчика прерываний, так же как и в предыдущем состоянии допустимо любое прерывание.
В состоянии P3 система определяет тип прерывания и соответствующую программу его обработки. Переключение в состояние P3 из состояний P1 и P2 происходит всегда автоматически при возникновении любого прерывания, кроме прерываний от схем контроля машины.

Переключение ЦП из состояния P3 в состояние P1 или P2 происходит по командам управления. В состоянии P3 все прерывания, кроме прерываний от схем контроля, запрещены.
Процессор автоматически переключается в состояние P4 из любого состояния (P1, P2, P3) при появлении прерывания от схем контроля машины.
Из состояния P4 нельзя вернуться ни в какое другое состояние без принятия мер по устранению сбойной ситуации.

Для каждого уровня прерываний в ОС имеются системные программы обработки прерываний. Нередко поступает сразу несколько запросов на прерывания, при этом они выстраиваются в очередь в соответствии со своими приоритетами.

Порядок поступления запросов строго определен:
1) прерывания от схем контроля;
2) программные прерывания или прерывания при обращении к ОС;
3) внешние прерывания;
4) прерывания от устройств ввода-вывода.

Обработка прерываний происходит в порядке, обратном его поступлению и соответствует их важности: ввод-вывод, внешние, программные и обращения к ОС.
Прерывания от схем контроля идут вне очереди и блокируют обработку всех других прерываний.

Информация, необходимая для обработки прерываний, запоминается в специальной области памяти в виде регистра и слова-состояния программы (ССП). Регистр прерываний представляет собой слово, каждый бит которого соответствует единственной причине прерывания.
Слово состояния программы хранит информацию о состоянии процессора для последующего анализа, восстановления нормального продолжения прерванной программы.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕРЫВАНИЙ
В зависимости от источника, прерывания подразделяются на:
АППАРАТНЫЕ - возникают как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства (клавиатура, системные часы, жесткий диск и т.д.), по времени возникновения эти прерывания асинхронны, т.е. происходят в случайные моменты времени;

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕРЫВАНИЙ
ПРОГРАММНЫЕ - вызываются искусственно с помощью соответствующей команды из программы (INT), предназначены для выполнения некоторых действий ОС, являются синхронными;
ИСКЛЮЧЕНИЯ - являются реакцией микропроцессора на нестандартную ситуацию, возникшую внутри микропроцессора во время выполнения некоторой команды программы (деление на ноль).

2) Общая классификация прерываний
внешние - вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями (по существу - это группа аппаратных прерываний)
внутренние - возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса (по существу - это исключительные ситуации и программные прерывания).
Классификация прерываний

Внешние прерывания возникают по сигналу какого-нибудь внешнего устройства.
Внешние прерывания подразделяются на не­маскируемые и маскируемые.
Классификация прерываний

Система прерываний - это совокупность программных и аппаратных средств, реализующих механизм прерываний

К аппаратным средствам системы прерываний относятся:
· выводы микропроцессора - на них формируются сигналы, извещающие микропроцессор, что устройство «просит уделить ему внимание» (INTR), либо - что требуется обработка некоторого события или катастрофическая ошибка (NMI)
· INTR - вывод для входного сигнала запроса на прерывание,
· NMI - вывод для входного сигнала немаскируемого прерывания
· INTA - вывод для выходного сигнала подтверждения получения сигнала прерывания микропроцессором (этот сигнал поступает на одноименный вход микросхемы конроллера 8259А;

·программируемый контроллер прерываний 8259А (предназначен для фиксирования сигналов прерываний от внешних устройств; он выполнен в виде микросхемы);
· внешние устройства (таймер, клавиатура, магнитные диски и т.п.)

К программным средствам системы прерываний Реального режима относятся:
· таблица векторов прерываний.
Занимает первый килобайт ОП (адреса 00000h-003FFh).
Она содержит адреса (векторы - два значения для указания адреса) обработчиков прерываний и состоит из 256 (0..255) элементов по 4 байта каждый:
Расположение таблицы векторов прерываний в процессорах i80286 и старше определяется значением регистра IDTR.