Архитектура ЭВМ и систем (конспект лекций). Архитектура эвм и систем
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
Лекция 16 Принципы организации системы прерывания программ Во время выполнения ЭВМ текущей программы внутри машины и в связанной с ней внешней среде (например, в технологическом процессе, управляемомЭВМ) могут возникать события, требующие немедленной реакции на них со стороны машины. Реакция состоит в том, что машина прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению некоторой другой программы, специально предназначенной для данного события. По завершении этой программы ЭВМ возвращается к выполнению прерванной программы. Рассматриваемый процесс, называемый прерыванием программ, поясняется на рис. 9.23. Принципиально важным является то, что моменты возникновения событий, требующих пре- рывания программ, заранее неизвестны и поэтому не могут быть учтены при программировании. 48 Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, оповещающим ЭВМ. Назовем эти сигналы запросами прерывания. Программу, затребованную запросом прерывания, назовем прерывающей программой, противопоставляя ее прерываемой программе, выполнявшейся машиной до появления запроса. Запросы на прерывания могут возникать внутри самой ЭВМ и в ее внешней среде. К первым относятся, например, запросы при возникновении в ЭВМ таких событий, как появление ошибки в работе ее аппаратуры, переполнение разрядной сетки, попытка деления на 0, выход из установленной для данной программы области памяти, затребование периферийным устройством операции ввода-вывода, завершение операции ввода-вывода периферийным устройством или возникновение при этой операции особой ситуации и др.. Хотя некоторые из указанных событий порождаются самой программой, моменты их появления, как правило, невозможно предусмотреть. Запросы во внешней среде могут возникать от других ЭВМ, от аварийных и некоторых других датчиков технологического процесса и т. п. В сущности, запросы прерывания генерируются несколькими развивающимися параллельно во времени процессами, которые в некоторые моменты требуют вмешательства процессора. К этим процессам, в частности, относятся процесс выполнения самой программы, процесс контроля правильности работы ЭВМ, операции ввода-вывода, технологический процесс в управляемом машиной объекте и др. Возможность прерывания программ - важное архитектурное свойство ЭВМ, позволяющее эффективно использовать производительность процессора при наличии нескольких протекающих параллельно во времени процессов, требующих в произвольные моменты времени управления и обслуживания со стороны процессора. В первую очередь это относится к организации параллельной во времени работы процессора и периферийных устройств машины, а также к использованию ЭВМ для управления в реальном времени технологическими процессами. В некоторых машинах наряду или вместо прерывания с переключением управления на другую программу используется примитивное прерывание - так называемая приостановка, когда по соответствующему запросу приостанавливается выполнение программы и выполняется аппаратурными средствами некоторая процедура без изменения содержания счетчика команд, а по ее окончании продолжается выполнение приостановленной программы. Чтобы ЭВМ могла, не требуя больших усилии от программиста, реализовывать с высоким быстродействием прерывания программ, машине необходимо придать соответствующие аппаратурные и программные средства, совокупность которых получила название системы прерывания программ или контроллера прерывания. Основными функциями системы прерывания являются: запоминание состояния прерываемой программы и осуществление перехода к прерывающей программе, восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней. При наличии нескольких источников запросов прерывания должен быть установлен определенный порядок (дисциплина) в обслуживании поступающих запросов. Другими словами, между запросами (и соответствующими прерывающими программами) должны быть установлены приоритетные соотношения, определяющие, какой из нескольких поступивших запросов подлежит обработке в первую очередь, и устанавливающие, имеет право или не имеет данный запрос (прерывающая программа) прерывать ту или иную программу. Приоритетный выбор запроса для исполнения входит в процедуру перехода Рис. 924. Упрощенная временная диаграмма процесса прерывания Рис. 9.23. Прерывание программы 49 к прерывающей программе. Характеристики системы прерывания. Для оценки эффективности систем прерывания могут быть использованы следующие характеристики. Общее число запросов прерывания (входов в систему прерывания). Время реакции - время между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы На рис. 9.24 приведена упрощенная временная диаграмма процесса прерывания в предположении, что управление запоминанием состояния и возвратом возложено на саму прерывающую программу, которая в этом случае состоит из трех частей: подготовительной и заключительной, обеспечивающих переключение программ, и собственно прерывающей программы, выполняющей затребованную запросом работу. Для одного и того же запроса задержки в исполнении прерывающей программы зависят от того, сколько программ со старшим приоритетом ждут обслуживания. Поэтому время реакции определяют для запроса с наивысшим приоритетом. Время реакции зависит от того, в какой момент допустимо прерывание. Большей частью прерывание допускается после окончания текущей команды. В этом случае время реакции определяется в основном длительностью выполнения команды. Это время реакции может оказаться недопустимо большим для ЭВМ, предназначенных для работы в реальном масштабе времени. В таких машинах часто допускается прерывание после любого такта выполнения команды. Однако при этом возрастает количество информации, подлежащей запоминанию и восстановлению при переключении программ, так как в этом случае необходимо сохранять также и состояния в момент прерывания счетчика тактов, регистра кода операции и некоторых других. Поэтому такая организация прерывания возможна только в машинах с быстродействующей сверхоперативной памятью. Имеются ситуации, в которых желательно немедленное прерывание. Если аппаратура контроля обнаружила ошибку, то целесообразно сразу же прервать операцию, пока ошибка не оказала влияния на следующие такты работы машины. Затраты времени на переключение программ (издержки прерывания) равны суммарному расходу времени на запоминание и восстановление состояния программы: Глубина прерывания — максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Если после перехода к прерывающей программе и вплоть до ее окончания прием других запросов запрещается, то говорят, что система имеет глубину прерывания, равную 1. Глубина равна n, если допускается последовательное прерывание до п программ. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритета в системе прерывании. На Рис. 9.25, а—в показано прерывание в системах с различной глубиной прерывания (предполагается, что приоритет каждого следующего запроса выше предыдущего). Системы с большим значением глубины прерывания обеспечивают более быструю реакцию на срочные запросы. Если запрос окажется необслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника, то возникнет так называемое насыщение системы прерывания. В этом случае предыдущий запрос прерывания от данного источника будет машиной утрачен, что недопустимо. Быстродействие ЭВМ, характеристики системы прерывания, число источников прерывания и частота возникновения запросов должны быть согласованы таким образом, чтобы насыщение было невозможным. Количество уровней прерывания. В ЭВМ число различных запросов прерывания может Рис 9 25 Прерывание в системах с различной глубиной прерывания 50 достигать нескольких десятков или сотен. В таких случаях часто запросы разделяют на отдельные классы или уровни. Совокупность запросов, инициирующих одну и ту же прерывающую программу, образует класс или уровень прерывания (рис 926). Запросы всех источников прерывания поступают на регистр запросов прерывания РгЗП, устанавливая соответствующие его разряды (флажки) в состояние 1, указывающее на наличие запроса прерывания определенного источника. Запросы классов прерывания ЗПК 1 — ЗПК k формируются элементами ИЛИ, объединяющими разряды РгЗП, относящиеся к соответствующим классам (уровням). Еще одна схема ИЛИ формирует общий сигнал прерывания ОСП, поступающий в устройство управления процессора. Значение сигнала ОСП определяется выражением j r j k i i k i I ЗПК ОСП 0 1 1 Информация о действительной причине прерывания, породившей запрос данного класса, содержится в коде прерывания, который отражает состояние разрядов РгЗП, относящихся к данному классу прерывания. После принятия запроса прерывания на исполнение и передачи управления прерывающей программе соответствующий триггер РгЗП сбрасывается. Объединение запросов в классы прерывания позволяет уменьшить объем аппаратуры, но связано с замедлением работы системы прерывания. Организация перехода к. прерывающей программе. Приоритетное обслуживание запросов прерывания. Назовем вектором прерывания вектор начального состояния прерывающей про- граммы. Вектор прерывания содержит всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный адрес. Каждому запросу (уровню) прерывания, а в ряде случаев, например в малых и микроЭВМ и микропроцессорах, каждому периферийному устройству соответствует свой вектор прерывания, способный инициировать выполнение соответствующей прерывающей программы. Векторы прерывания обычно находятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти. Главное место в процедуре перехода к прерывающей программе занимают передача из соответствующего регистра (регистров) процессора в память (в частности, в стек) на сохране- ние текущего вектора состояния прерываемой программы (чтобы можно было вернуться к ее исполнению) и загрузка в регистр (регистры) процессора вектора прерывания прерывающей программы, к которой при этом переходит управление процессором. Процедура организации перехода к прерывающей программе включает в себя выделение из выставленных запросов такого, который имеет наибольший приоритет. Различают абсолютный и, относительный приоритеты. Запрос, имеющий абсолютный приоритет, прерывает выполняемую программу и инициирует выполнение соответствующей прерывающей программы. Запрос с относительным приоритетом является первым кандидатом на обслуживание после завершения выполнения текущей программы. Если наиболее приоритетный из выставленных запросов прерывания не превосходит по уровню приоритета выполняемую процессором программу, то запрос прерывания игнорируется или его обслуживание откладывается до завершения выполнения текущей программы. Рис. 9.26. Разделение запросов на классы прерывания 51 Простейший способ установления приоритетных соотношений между запросами (уровнями) прерывания состоит в том, что приоритет определяется порядком присоединения линий сигналов запросов ко входам системы прерывания. При появлении нескольких запросов прерывания первым воспринимается запрос, поступивший на вход с меньшим номером. В этом случае приоритет является жестко фиксированным. Изменить приоритетные соотношения можно лишь пересоединением линий сигналов запросов на входах системы прерывания. Процедура прерывания с опросом источников (флажков) прерывания. При указанном способе задания приоритета между запросами каждому источнику запросов соответствует разряд (флажок) в регистре запросов прерывания (регистре флажков). При наличии запроса или нескольких запросов прерывания формируется общий сигнал прерывания (ОСП) (как это, напри- мер, показано на рис. 9.26), инициирующий выполняемую спе- циальной программой или аппаратурой процедуру опроса ре- гистра прерывания (флажков) или просто линий сигналов прерывания для установления источника, выставившего запрос прерывания наибольшего приоритета. По существу, эта процедура состоит в определении местоположения крайней слева единицы (крайнего флажка) в регистре запросов прерывания. На рис. 9.27 приведены различные способы реализации процедуры опроса источников сигналов прерывания. На рис 9.27, а показан процесс прерывания с программным опросом флажков прерывания (или, другими словами, опросом периферийных устройств, затребовавших передачу данных). Программный опрос источников прерываний занимает сравнительно много времени. Для уменьшения этого времени процедуру опроса реализуют аппаратурным путем. Схема циклического опроса запросов (источников) прерываний (рис. 9.27,6). Опрос k линий запросов прерывания (или разрядов регистра запросов прерывания) производится последо- вательно (циклически) с помощью n-разрядного счетчика (2 n k), на который с некоторой частотой поступают импульсы от генератора. Поиск приоритетного запроса прерывания начинается со сброса счетчика и одновременно триггера Т в нулевое состояние, при этом импульсы генератора начинают поступать на вход счетчика. При помощи дешифратора и элементов И в каждом такте поиска проверяется наличие запроса прерывания, номер которого совпадает с кодом счетчика. Если на данном входе нет запроса прерывания, то после Рис 9.27. Способы опроса источников сигналов прерывания: а -программный опрос, б -циклический (многотактный) опрос, в -цепочечный однотактный опрос («дейзи-цепочка») 52 прибавления 1 к счетчику проверяется следующий по порядку вход. Если имеется запрос, триггер Т перебрасывается в 1, при этом в процессор посылается общий сигнал прерывания ОСП и прекращается поступление импульсов на вход счетчика, т. е. завершается цикл просмотра входов системы прерывания. Содержимое счетчика — код номера старшего по приоритету выставленного запроса — используется для формирования начального адреса прерывающей программы. После передачи управления прерывающей программе счетчик (и триггер Т) сбрасывается в 0, и процедура опроса запросов возобновляется, начиная с первого входа. Циклический (последовательный) опрос входов системы прерывания в аппаратурном отношении сравнительно прост, однако время реакции и при этом методе все-таки велико, особенно при большом числе источников запросов. Поэтому во многих случаях, например в ряде микропроцессоров, предназначенных для использования при работе в реальном времени, применяют схемы, позволяющие определять номер выставленного запроса или уровня прерывания старшего приоритета за один такт. Цепочечная однотактная схема определения приоритетного запроса («дейзи-цепочка») представлена на рис. 9.27, в. Как и в предыдущих случаях, приоритет запросов прерывания воз- растает с уменьшением их номера. Процедура определения приоритетного запроса инициируется сигналом Приоритет, поступающим на цепочку последовательно включенных схем И. При отсутствии запросов этот сигнал пройдет через цепочку и сигнал общего запроса прерывания не сформируется. Если среди выставленных запросов прерывания наибольший приоритет имеет i-й запрос, то распространение сигнала Приоритет правее схемы И с номером i блокируется. На i-м выходе цепочечной схемы будет сигнал y i = 1, на всех других 0. В процессор поступит общий сигнал прерывания, при этом шифратор по сигналу y i = 1 сформирует код номера i-го запроса, принятого к обслуживанию. По сигналу процессора Подтверждение прерывания (на рис. 9.27 не показан) этот код передается в процессор и используется для формирования начального адреса прерывающей программы. Схемы, представленные на рис. 9.27, б и в, производят поиск крайней левой единицы в наборе сигналов прерывания и формируют код номера i запроса, удовлетворяющего условию 1 1 1 j i j i ЗП ЗП Векторное прерывание Представленные на рис. 9.27 способы определения запроса с наибольшим приоритетом включают в себя так или иначе выполняемую процедуру опроса источников прерывания (входов системы прерывания). Эта процедура, даже если она выполняется аппаратурными средствами, требует сравнительно больших временных затрат. Более гибким и динамичным является векторное прерывание, при котором исключается опрос источников прерывания (флажков регистра прерывания). Прерывание называется векторным, если источник прерывания, выставляя запрос прерывания, посылает в процессор (выставляет на шины интерфейса) код адреса в памяти своего вектора прерывания. Отметим, что если прерывание на основе опроса источников прерываний всегда сопровождается переходом по одному и тому же адресу и инициирует одну и ту же прерывающую подпрограмму, которая после идентификации источника запроса и фор- мирования адреса начала соответствующей запросу прерывающей программы передает ей управление, то при векторном прерывании каждому запросу прерывания, или, другими словами, устройству — источнику прерывания, соответствует переход к начальному адресу соответствующей прерывающей программы, задаваемому вектором прерывания. Программно-управляемый приоритет прерывающих программ Относительная степень важности программ, их частота повторения, относительная степень срочности в ходе вычислительного процесса могут меняться, требуя установления новых прио- 53 ритетных отношений. Поэтому во многих случаях приоритет между прерывающими программами не может быть зафиксирован раз и навсегда. Необходимо иметь возможность изменять по мере надобности приоритетные соотношения программным путем, другими словами, приоритет между прерывающими программами должен быть динамичным, т. е. программно-управляемым. В ЭВМ широко применяются два способа реализации программно-управляемого приоритета прерывающих программ, в которых используются соответственно порог прерывания и маски прерывания. Порог прерывания. Этот способ позволяет в ходе вычислительного процесса программным путем изменять уровень приоритета процессора (а следовательно, и обрабатываемой в данный момент на процессоре программы) относительно приоритетов запросов источников прерывания (в основном периферийных устройств), другими словами, задавать порог прерывания, т. е. минимальный уровень приоритета запросов, которым разрешается прерывать программу, идущую на процессоре. Порог прерывания задается командой программы, устанавливающей в регистре порога прерывания код порога прерывания. Специальная схема выделяет наиболее приоритетный за- прос прерывания, сравнивает его приоритет с порогом прерывания и, если он оказывается выше порога, вырабатывает общий сигнал прерывания, и начинается процедура прерывания (рис 9.27,в). В современных ЭВМ общего назначения наибольшее распространение получило программное управление приоритетом на основе маски прерывания (рис. 9.28). Маска прерывания представляет собой двоичный код, разряды которого поставлены в соответствие запросам или классам прерывания. Маска загружается командой программы в регистр маски. Состояние 1 в данном разряде регистра маски разрешает, а состояние 0 запрещает (маскирует) прерывание текущей программы от соответствующего запроса. Таким образом, программа, изменяя маску в регистре маски, может устанавливать произвольные приоритетные соотношения между программами без перекоммутации линий, по которым поступают запросы прерывания. Каждая прерывающая программа может установить свою маску. При формировании маски 1 устанавливаются в разряды, соответствующие запросам (прерывающим программам) с более высоким, чем у данной программы, приоритетом. Схемы И выделяют поступившие незамаскированные запросы прерывания, из которых специальная схема, аналогичная цепочечной схеме на' рис. 9.28, в, выделяет наиболее приоритетный и формирует код его номера i, удовлетворяющего условию 1 1 1 i i j j i j РгМ ЗП РгМ ЗП С замаскированным запросом в зависимости от причины прерывания поступают двояким образом: или он игнорируется, или запоминается, с тем Рис 9.28. Программно управляемый приоритет на основе маски прерывания Рис. 9.29. Вектор состояния процессора в малых ЭВМ Рис. 9.30. Схема цепей запросов и разрешений прерываний в малых и микроЭВМ с интерфейсом «Q-шина»: а — с позиционно- зависимым приоритетом; б - с позиционно-независимым приоритетом; ЗПi РПi - соответственно запрос и разрешение 54 чтобы осуществить затребованные действия, когда запрет будет снят. Например, если прерывание вызвано окончанием операции в периферийном устройстве, то его следует, как правило, запомнить, так как иначе ЭВМ останется неосведомленной о том, что периферийное устройство освободилось. Прерывание, вызванное переполнением разрядной сетки при арифметической операции, следует при его маскировании игнорировать, так как запоминание этого запроса может привести к тому, что он окажет действие на часть программы или другую программу, к которым это переполнение не относится. |