структура контроллера. Каждый сигнал от различных устройств компьютера, чтобы стать осознанным, должен быть обработан какойто программой. А выполнять программы может только микропроцессор

• Название: Каждый сигнал от различных устройств компьютера, чтобы стать осознанным, должен быть обработан какойто программой. А выполнять программы может только микропроцессор
• Анкор: структура контроллера
• Дата: 09.04.2023
• Размер: 1.49 Mb.
• Имя файла: структура контроллера.ppt
• Тип: Документы; #1048545

• Макарова
• Туктарева

• Каждый сигнал от различных устройств компьютера, чтобы стать «осознанным», должен быть обработан какой-то программой. А выполнять программы может только микропроцессор. Но он один в компьютере, следовательно, в каждый конкретный момент времени микропроцессор может быть занят выполнением только одной программы. Как же ему узнавать о нажатиях клавиш и других сигналах, постоянно возникающих во время работы компьютера, если он выполняет некоторую программу?

• Чтобы устройства, входящие в состав компьютера могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM совместимых компьютерах предусмотрена система прерывании (Interrupts).
• Система прерывании позволяет компьютеру приостановить текущие деист вия и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос например на нажатие клавиши на клавиатуре

• Без прерываний было бы очень трудно обеспечить эффективную работу компьютера. С одной стороны, желательно чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, с другой стороны необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.
• Каждому компоненту компьютера, которому может потребоваться запросить внимание процессора выделяется особый номер прерывания. Например, клавиатура имеет свои номер прерывания, поэтому при нажатии клавиши процессор узнает об этом. Номера прерываний имеют также дисковые накопители и принтеры. Накопители на дисках с помощью прерывании сообщают об окончании запрошенной программной операции, а принтеры сигнализируют об отсутствии бумаги или о готовности печатать следующий символ.

• В IBM PC-совместимых компьютерах имеется два вида прерывании аппаратные (Hardware interrupts) и программные (Software interrupts). К аппаратным относятся в первую очередь, прерывания встроенные в процессор — прерывания при делении на нуль прерывания при аварии питания и т.п. К аппаратным также относятся прерывания, с помощью которых процессору сообщается об аппаратных событиях, например, уже упомянутых отсутствии бумаги в принтере или окончании дисковой операции.
• С помощью прерываний прикладные программы могут выполнять операции запрограммированные в операционной системе ROM BIOS или в других сервисных программах. Отметим, что аппаратное прерывание может получить управление и при выполнении программного прерывания. Про­граммные прерывания действуют практически так же, как и аппаратные, и отличаются только источником прерывания. Аппаратные прерывания работают следующим образом. Когда какому-либо устройству требуется участие процессора (например, когда на клавиатуре нажата клавиша), оно посылает особый сигнал — запрос на прерывание. Получив такой запрос, процессор прекращает выполнять текущую последо­вательность команд, а вместо нее начинает выполнять другую последова­тельность, соответствующую данному прерыванию (в нашем примере — пе­редает код нажатой клавиши работающей программе).

• Для простой и эффективной локализации процедуры обслуживания преры­ваний служит таблица векторов прерываний, содержащаяся в первых ячей­ках памяти компьютера. Вектор — это полный адрес памяти (4 байта) той процедуры, которая вызывается при появлении запроса на прерывание. Та­ким образом, в таблице векторов прерываний в ячейках памяти с 0 по 3 на­ходится адрес программы обработки прерывания с номером 0, в ячейках памяти с 4 по 7 — адрес программы обработки с номером 1 и т.д.
• В IBM PC-совместимых компьютерах управление аппаратными прерыва­ниями осуществляется специальными микросхемами — контроллерами пре­рываний. Как уже отмечалось, на современных материнских платах кон­троллеры прерываний интегрированы в микросхему контроллера периферии Chipset.
• В PC XT с восьмиразрядной шиной ISA имеется только 8 внешних аппа­ратных прерываний. В PC AT с процессором 80286 количество линий пре­рываний было увеличено вдвое, благодаря использованию уже двух конт­роллеров.

• Исходя из вышеприведенных рассуждений, можно сказать, что прерывания могут быть внешними и внутренними.
• Внешние прерывания вызываются внешними по отношению к микропроцессору событиями. На рис 1 схематически изображена подсистема прерываний компьютера на базе микропроцессора Intel

• На рис 1 видно, что у микропроцессора есть два физических контакта — INTR и NMI. На них и формируются внешние по отношению к микропроцессору сигналы, возрастающие фронты которых извещают микропроцессор о том, что некоторое внешнее устройство просит уделить ему внимание. Вход INTR (INTerrupt Request) предназначен для фиксации запросов от различных периферийных устройств, например таких, как системные часы, клавиатура, жесткий диск и т.д. Вход NМI (NonMaskable Interrupt) — немаскируемое прерывание. Этот вход используют для того, чтобы сообщить микропроцессору о некотором событии, требующем безотлагательной обработки, или катастрофической ошибке. Внешние прерывания относятся, естественно, к не планируемым прерываниям.
• Внутренние прерывания возникают внутри микропроцессора во время вычислительного процесса. К их возбуждению приводит одна из двух причин.
• ненормальное внутреннее состояние микропроцессора, возникшее при обработке некоторой команды программы. Такие события принято называть исключительными ситуациями, или просто исключениями. Этот вид прерываний отчасти также можно отнести к непланируемым;
• обработка машинной команды int xx Этот тип прерываний называется программным. Это — планируемые прерывания, так как с их помощью программист обращается в нужное для него время за обслуживанием своих запросов либо к операционной системе, либо к ВIOS, либо к собственным программам обработки прерываний.

• На наш взгляд, знакомство с системой прерываний микропроцессора Intel следует начать с обсуждения организации обработки аппаратных прерываний. Центральное место в схеме обработки аппаратных прерываний занимает программируемый контроллер прерывании (ПКП), выполненный в виде специальной микросхемы i8259A. Как мы уже говорили, эта микросхема может обрабатывать запросы от восьми источников внешних прерываний. Этого явно мало, поэтому в стандартной конфигурации вычислительной системы обычно используют две последовательно соединенные микросхемы i8259A. В результате такого соединения количество возможных источников внешних прерываний возрастает до 15.
• Для того чтобы разобраться с обработкой аппаратных прерываний, нам придется проникнуть внутрь микросхемы i8259A. Перечислим функции, выполняемые микросхемой контроллера прерываний:
• фиксирование запросов на обработку прерывания от восьми источников, формирование единого запроса на прерывание и подача его на вход INTR микропроцессора;
• формирование номера вектора прерывания и выдача его на шину данных;
• организация приоритетной обработки прерываний;
• запрещение (маскирование) прерываний с определенными номерами.
• Схематическое представление внутренней структуры и физических выводов микросхемы i8259A.

• 1 Анализируется флаг IF. Если вы помните, единичное состояние этого флага говорит о том, что аппаратные прерывания разрешены, нулевое — запрещены.
• 2. Если прерывания запрещены, то запрос на прерывание «повисает» до момен­та установки IF в единицу.
• 3. Если прерывания разрешены, микропроцессор выполняет следующие действия
• 3.1 Сбрасывает флаг IF в ноль;
• 3.2 Формирует сигнал подтверждения прерывания на выводе микропроцессора INTA. Этот вывод микропроцессора замкнут на одноименный вывод микросхемы i8259A.
• Таким образом, сигнал о прерывании прошел через микропроцессор и вернулся обратно в контроллер прерываний i8259A через вывод INТА. Данный вывод внутри контроллера прерываний замкнут на его схему управления, которая выполняет сразу несколько действий при поступлении этого сигнала:
• 1. Сбрасывает бит в регистре IRR, соответствующий уровню прерывания irq_0
• 2. Устанавливает в 1 бит 0 регистра ISR, тем самым фиксируя факт обработки прерывания уровня 0 в микропроцессоре.
• 3. Формирует с помощью блока управления номер вектора прерывания, значе­ние которого формируется в буфере данных и далее поступает на выводы i8259A d0…d7. Выводы d0...d7 замкнуты на шину данных, по которой номер вектора поступает в микропроцессор В микропроцессоре этот номер используется для вызова соответствующей процедуры обработки прерывания.

• На данном этапе обработки прерывания, после того как номер прерывания по шине данных поступил в микропроцессор, последнему стало известно все об источнике прерывания. Далее микропроцессор осуществляет процедуру обработки прерывания. Если в это время придет другой сигнал о прерывании того же уровня, то он будет запомнен установкой бита в IRR, и обслуживание этого прерывания будет отложено Если приходит прерывание другого уровня, то его дальнейшая обработка зависит от приоритета, который оно имеет по отношению к уже обрабатываемым прерываниям Если приоритет выше, то текущая процедура обработки прерывания останавливается, и вызывается процедура обработки более приоритетного прерывания.

Очень важный момент связан с процессом завершения обработки прерывания. Проблема здесь состоит в следующем. После принятия микропроцессором запроса на обслуживание прерывания в контроллере устанавливается бит в регистре ISR, номер этого бита соответствует уровню прерывания. Установка бита с данным номером блокирует все прерывания уровня, начиная с текущего, и менее приоритетные в блоке-арбитре приоритетов. Если процедура прерывания закончит свою работу, то она сама должна этот бит сбросить, иначе все прерывания этого уровня и менее приоритетные будут игнорироваться Для осуществления такого сброса необходимо послать код 20h в порт 20h. Есть и другая возможность — установить такой режим работы микросхемы i8259A, когда сброс этого бита будет производиться автоматически. Тонкий момент заключается в том, что происходить такой автоматический сброс будет одновременно с приходом сигнала INTA (то есть извещения о том, что запрос на обработку прерывания принят к обработке микропроцессором). Недостаток автоматического сброса в том, что существует вероятность прихода прерывания того же уровня, который уже обрабатывается в данный момент микропроцессором.

• Очень важный момент связан с процессом завершения обработки прерывания. Проблема здесь состоит в следующем. После принятия микропроцессором запроса на обслуживание прерывания в контроллере устанавливается бит в регистре ISR, номер этого бита соответствует уровню прерывания. Установка бита с данным номером блокирует все прерывания уровня, начиная с текущего, и менее приоритетные в блоке-арбитре приоритетов. Если процедура прерывания закончит свою работу, то она сама должна этот бит сбросить, иначе все прерывания этого уровня и менее приоритетные будут игнорироваться Для осуществления такого сброса необходимо послать код 20h в порт 20h. Есть и другая возможность — установить такой режим работы микросхемы i8259A, когда сброс этого бита будет производиться автоматически. Тонкий момент заключается в том, что происходить такой автоматический сброс будет одновременно с приходом сигнала INTA (то есть извещения о том, что запрос на обработку прерывания принят к обработке микропроцессором). Недостаток автоматического сброса в том, что существует вероятность прихода прерывания того же уровня, который уже обрабатывается в данный момент микропроцессором.

В этом случае процедура обработки прерывания должна обладать свойством реентерабельности, то есть допускать повторное обращение к себе до завершения обработки предыдущего обращения. Для того чтобы процедура была реентерабельной, она должна иметь специфическую структуру, в частности, для каждого сеанса обращения к ней создается своя область для хранения переменных и значений регистров, а исполняемая часть процедуры находится в оперативной памяти только в одном экземпляре. Иногда может потребоваться подобный автоматический сброс, но надежнее и проще, конечно, контролировать этот процесс и самостоятельно сбрасывать бит в ISR. Это можно сделать либо в конце работы процедуры, либо в том месте процедуры, начиная с которого можно разрешить рекурсивный вызов данной процедуры, будучи уверенным в том, что она не разрушит никаких данных и работу программы в целом.

• В этом случае процедура обработки прерывания должна обладать свойством реентерабельности, то есть допускать повторное обращение к себе до завершения обработки предыдущего обращения. Для того чтобы процедура была реентерабельной, она должна иметь специфическую структуру, в частности, для каждого сеанса обращения к ней создается своя область для хранения переменных и значений регистров, а исполняемая часть процедуры находится в оперативной памяти только в одном экземпляре. Иногда может потребоваться подобный автоматический сброс, но надежнее и проще, конечно, контролировать этот процесс и самостоятельно сбрасывать бит в ISR. Это можно сделать либо в конце работы процедуры, либо в том месте процедуры, начиная с которого можно разрешить рекурсивный вызов данной процедуры, будучи уверенным в том, что она не разрушит никаких данных и работу программы в целом.

Другой не менее интересный момент заключается в том, что микропроцессор при принятии к обработке запроса на прерывание сбросил флаг IF в ноль, тем самым запретив все последующие аппаратные прерывания. Этим обстоятельством программист может пользоваться по своему усмотрению. Вы, конечно, помните, что все запросы на прерывания с приоритетом, равным текущему или меньшим, будут запрещены в любом случае, — это обусловлено логикой работы контроллера i8259A. Поэтому программист должен решить, насколько его замыслам могут помешать запросы на более приоритетные прерывания. Если это некритично, то лучше сразу, в начале процедуры обработки прерывания установить флаг IF в единицу. В большинстве случаев эту операцию нужно делать как можно раньше. Для установки флага IF в единицу в системе команд микропроцессора есть специальная команда, не имеющая операндов.

• Другой не менее интересный момент заключается в том, что микропроцессор при принятии к обработке запроса на прерывание сбросил флаг IF в ноль, тем самым запретив все последующие аппаратные прерывания. Этим обстоятельством программист может пользоваться по своему усмотрению. Вы, конечно, помните, что все запросы на прерывания с приоритетом, равным текущему или меньшим, будут запрещены в любом случае, — это обусловлено логикой работы контроллера i8259A. Поэтому программист должен решить, насколько его замыслам могут помешать запросы на более приоритетные прерывания. Если это некритично, то лучше сразу, в начале процедуры обработки прерывания установить флаг IF в единицу. В большинстве случаев эту операцию нужно делать как можно раньше. Для установки флага IF в единицу в системе команд микропроцессора есть специальная команда, не имеющая операндов.
• sti— разрешить аппаратные прерывания