Аппарат прерываний

Если мы обратим внимание на представленный выше рабочий цикл процессора, то увидим, что такая схема не предусматривает возможности обработки ошибочной ситуации, которая может возникнуть в системе в ходе выполнения программы. Что будет с компьютером, если в программе, которую он выполняет, встретится команда с кодом операции, обработка которого не предусмотрена аппаратурой? Что будет, если выполняется корректная команда, но значения операндов приводят к невозможности выполнения соответствующей команде операции, например, деление на ноль? Что будет, если при программном обращении к внешнему устройству оно сломалось? В первых компьютерах происходила остановка работы всего компьютера, обработка ситуации, вызвавшей аварийную остановку (АВОСТ). Современные вычислительные системы не могут позволить себе остановку работы всей системы из-за возникновения тех или иных проблем в программе или в компонентах компьютера. Для решения проблем автоматизации обработки событий, возникающих в вычислительной системе, в современных компьютерах предусмотрен аппарат прерываний.

Прерыванием называется событие в компьютере, при возникновении которого в процессоре происходит предопределенная последовательность действий. Состав прерываний — множество разновидностей событий, на возникновение которых предусмотрена стандартная реакция центрального процессора, — фиксирован и определяется конструктивно при разработке компьютера. Аппарат прерываний компьютера позволяет организовывать стандартную обработку всех прерываний, возникающих при функционировании вычислительной системы. Традиционно прерывания разделяются на две группы: внутренние прерывания и внешние прерывания.

Внутренние прерывания инициируются схемами контроля работы процессора. К примеру, внутреннее прерывание может возникнуть в процессоре при попытке выполнения команды деления, операнд-делитель которой равен нулю. Также внутреннее прерывание возникнет в ситуации, когда при обработке очередной команды адрес одного из операндов выходит за пределы адресного пространства оперативной памяти.

Внешние прерывания — события, возникающие в компьютере в результате взаимодействия центрального процессора с внешними устройствами. Примером внешнего прерывания может служить событие, связанное с вводом символа с клавиатуры персонального компьютера.

Обработка прерывания предполагает две стадии: аппаратную, которая включает реакцию процессора на возникновение прерывания, и программную, которая предполагает выполнение специальной программы обработки прерывания, являющейся частью операционной системы.

29. Схема обработки прерывания.

Рассмотрим обобщенную модель последовательности действий, происходящих в ВС при возникновении прерывания (Рис. 29.). Сначала рассмотрим этап аппаратной обработки прерывания.

1. Завершается выполнение текущей команды (за исключением случаев, когда прерывание возникает по причине некорректного выполнения команды).

2. Обработка прерывания предполагает остановку выполнения текущей программы, запуск специальной программы обработки прерывания, а затем, возможно, продолжение выполнения прерванной программы. Поэтому аппаратный этап обработки прерываний регламентирует перечень регистров, которые автоматически будут сохранены процессором. Это специальные регистры, содержимое которых описывает состояние процессора в точке прерывания выполнения программы (счетчик команд, регистр результатов, регистры, содержащие режимы работы процессора), а также несколько регистров общего назначения, которые могут быть использованы программой обработки прерываний в начальный момент времени. Процедура аппаратного сохранения регистров в различных компьютерах может происходить по-разному. Простейшая модель следующая. Включается режим блокировки прерываний. При этом режиме в системе запрещается инициализация новых прерываний: возникающие в это время прерывания могут либо игнорироваться, либо откладываться (зависит от конкретной аппаратуры компьютера и типа прерывания).

3. Аппаратное копирование содержимого сохраняемых регистров. Включенный режим блокировки прерывания гарантирует сохранность этих данных до момента завершения предварительной обработки прерывания и выключения блокировки прерываний.

4. Переход на программный этап обработки прерываний. Для перехода на программный этап обработки прерываний необходимо решить вопрос, как аппаратура передаст операционной системе информацию о том, какое прерывание произошло. Существует несколько моделей аппаратного решения этого вопроса.

• Первая модель — использование специального регистра прерываний, каждый разряд которого соответствует конкретному прерыванию, т.е. если, к примеру, в разряде, соответствующем прерыванию от клавиатуры появляется единица, это означает, что произошло соответствующее прерывание. Для расширения числа обрабатываемых прерываний возможно использование иерархической модели регистров прерывания (Рис. 30.). Она предполагает, что имеется главный регистр прерывания и периферийные. В главном регистре прерывания выделяются разряды, индицирующие не только появление конкретных прерываний, но и разряды, индицирующие появление прерываний в периферийных регистрах. В данной модели управление передается в операционную систему на адрес входа в программу.