В архитектуре ПЭВМ базовая система ввода/вывода (БСВВ) занимает особое место. Ее можно рассматривать, с одной стороны, как составляющую часть аппаратных средств, с другой стороны, это система является одним из программных модулей ОС.

Одной из важных функция БСВВ – обслуживание системных вызовов, или прерываний. Системные вызовы вырабатываются программными или аппаратными средствами с целью выполнения различных операций. Для реализации системных вызовов используется механизм прерываний. Суть этого механизма заключается в том, что текущая работа машины, в чем бы она ни состояла, может быть приостановлена на короткое время одним из сигналов, который указывает на возникновение ситуации, требующей немедленной обработки

Прерывание - это прекращение выполнения текущей команды или текущей последовательности команд для обработки некоторого события специальной программой - обработчиком прерывания, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы.

Событие может быть вызвано особой ситуацией, сложившейся при выполнении программы, или сигналом от внешнего устройства. Прерывание используется для быстрой реакции процессора на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и взаимодействии с внешними устройствами.

При прерывании ОС сохраняет состояние процессора – значения регистров и значение счетчика команд (program counter – PC) – адреса прерванной команды. Обработчик прерывания в ОС определяет по содержимому сегмента объектного кода, какого вида прерывание возникло и какие действия по его обработке следует предпринять. Среди возможных видов прерываний, кроме фиксации различных ошибок, имеются также прерывания по таймеру – периодические прерывания через определенный квант времени, предназначенные для опроса устройств (polling) – действий операционной системы по периодической проверке состояния всех портов и внешних устройств, которое может меняться с течением времени: например, к USB-порту была подключена флэшка; принтер закончил печать и освободился, и т.д. ОС выполняет реконфигурацию системы и корректирует системные таблицы, хранящие информацию об устройства

Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.

Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора. Механизмы обработки прерываний обоих типов схожи. Рассмотрим функционирование компьютера при появлении сигнала запроса прерывания, опираясь в основном на обработку аппаратных прерываний (рис. 13).

Рис. 13. Выполнение прерывания в компьютере:

tр - время реакции процессора на запрос прерывания;

tс - время сохранения состояния прерываемой программы и вызова обработчика прерывания;

tв - время восстановления прерванной программы.

После появления сигнала запроса прерывания ЭВМ переходит к выполнению программы - обработчика прерывания. Обработчик выполняет те действия, которые необходимы в связи с возникшей особой ситуацией. Например, такой ситуацией может быть нажатие клавиши на клавиатуре компьютера. Тогда обработчик должен передать код нажатой клавиши из контроллера клавиатуры в процессор и, возможно, проанализировать этот код. По окончании работы обработчика управление передается прерванной программе.

Время реакции - это время между появлением сигнала запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы (обработчика прерывания) в том случае, если данное прерывание разрешено к обслуживанию.

Время реакции зависит от момента, когда процессор определяет факт наличия запроса прерывания. Опрос запросов прерываний может проводиться либо по окончании выполнения очередного этапа команды (например, считывание команды, считывание первого операнда и т.д.), либо после завершения каждой команды программы.

Прерывания можно разделить на три группы: аппаратные, логические и программные.

Источники аппаратных прерываний – падение напряжения питания, нажатие клавиши на клавиатуре, приход очередного импульса от счетчика времени, возникновение специальных сигналов от накопителей на гибких или жестких дисках и др.

Логические, или процессорные, прерывания возникают при различных нестандартных ситуациях в работе основного микропроцессора – делении на нуль, переполнении регистров, появлении «точки останова» и др.

Программные прерывания – самая обширная категория. Вырабатываются они, когда одна программа хочет получить определенный сервис со стороны другой программы, причем этот сервис обычно связан с работой аппаратных средств.

Каждое прерывание имеет уникальный номер и с ним может быть связана определенная подпрограмма, призванная обслуживать возникшую ситуацию. Сама обслуживающая подпрограмма, вообще говоря, тоже может быть приостановлена другим прерыванием; но чаще всего на период работы подпрограммы, обслуживающей некоторое прерывание, другие прерывания «маскируются», т. е. не обслуживаются немедленно, а становятся в очередь.

В аппаратных компонентах машины в самой ДОС и в прикладных программах могут вырабатываться прерывания, которые нужно обслуживать. На БСВВ возлагается задача обслуживания прерываний нижнего уровня – тех, которые требуют непосредственного управления аппаратными компонентами. Этим прерываниям присвоены номера с 0 по 31 (шестнадцатеричные номера 0 – 1F). Другие прерывания – с номерами 32 – 63 (шестнадцатеричные номера 20 – 3F) – относятся к более высокому уровню, и их обслуживание возлагается на другие модули ОС.

В табл. 3 приведен общий перечень прерываний, обслуживаемых БСВВ. В реальных программах на языке ассемблера и в технической литературе по ОС прерывания идентифицируются шестнадцатеричиыми кодами. Из анализа табл. 3 видно, что обслуживаемые БСВВ прерывания соответствуют базовым операциям по управлению внешними устройствами – дисплеем, клавиатурой, НГМД, принтером, коммуникационными каналами. При этом подпрограммы, входящие в БСВВ, выполняют операции нижнего уровня. Так, например, обслуживание НГМД включает возможность начальной установки магнитных головок, проверки текущего статуса устройства, прямого чтения и записи заданных секторов диска, верификации прочитанных или записанных данных и, наконец, форматирования (начальной разметки) дисков.

Таблица 3. Прерывания, обслуживаемые БСВВ

Деся- тичный номер	Шестнадца- теричный номер
		Деление на ноль
		Перевод микропроцессора в пошаговый режим
		Падение напряжения питания
		Появление точки останова в последовательности команд
		Переполнение регистров арифметического устройства
		Печать графической копии экрана
		Зарезервировано
		Зарезервировано
		Сигнал от счетчика времени – таймера
		Сигнал от нажатия клавиши на клавиатуре
	А	Зарезервировано
Деся- тичный номер	Шестнадца- теричный номер	Обслуживаемая ситуация или выполняемая функция
	В	Зарезервировано
	С	Зарезервировано
	D	Зарезервировано
	Е	Сигнал об окончании обмена с НМД
	F	Зарезервировано для обслуживания принтера
		Управление дисплеем
		Запрос списка подсоединенного оборудования
		Запрос размера физической памяти
		Управление НМД
		Управление коммуникационным адаптером
		Управление магнитофоном и другими устройствами
		Управление клавиатурой
		Управление принтером
		Обращение к встроенному в ПЗУ бейсику
		Перезапуск системы
	1А	Запрос/установка текущего времени и даты
	1В
	1С
	1D	Адрес таблицы параметров инициализации дисплея.
	1E	Адрес таблицы параметров НГМД
	1F	Адрес таблицы символов с кодами 128-255

Некоторые из указанных в табл. 3 прерываний обеспечивают доступ к нескольким взаимосвязанным функциям. Каждая функция идентифицируется своим шестнадцатеричным номером (кодом) и обеспечивает выполнение некоторой частной операции.

Так, например, прерывание 19 (управление НГМД и НМД) открывает доступ к 18 функциям с кодами 0-17):

0 - начальная установка (сброс диска),

1 - выдача текущего статуса диска,

2 - чтение группы (блока) секторов с одной дорожки,

3 - запись группы секторов на одну дорожку,

4 - верификация после чтения или записи,

5 - форматирование дорожки (запись меток секторов),

8 - выдача текущих параметров накопителя,

9 - инициализация таблицы параметров фиксированного диска,

А - «длинное» чтение,

В - «длинная» запись,

С - поиск нужной дорожки,

D - начальная установка диска,

10 - проверка готовности диска,

11 - калибровка диска,

14 - диагностика контроллера,

15 - выдача типа накопителя,

16 - изменение статуса диска,

17 - установка типа накопителя.

Глубина прерывания - максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов, распознаваемых системой прерываний. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний (n) представлена на рис. 10. Здесь предполагается, что с увеличением номера запроса прерывания увеличивается его приоритет.

Рис. 14. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний

При поступлении запроса прерывания компьютер выполняет следующую последовательность действий:

1) определение наиболее приоритетного незамаскированного запроса на прерывание (если одновременно поступило несколько запросов);

2) определение типа выбранного запроса;

3)сохранение текущего состояния счетчика команд и регистра флагов;

4) определение адреса обработчика прерывания по типу прерывания и передача управления первой команде этого обработчика;

5) выполнение программы - обработчика прерывания;

6)восстановление сохраненных значений счетчика команд и регистра флагов прерванной программы;

7) продолжение выполнения прерванной программы.

Этапы 1-4 выполняются аппаратными средствами ЭВМ автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 6 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания.

Переход к соответствующему обработчику прерывания осуществляется (в реальном режиме работы микропроцессора) посредством таблицы векторов прерываний. Эта таблица располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит значения сегментного регистра команд (CS) и указателя команд (IP) для 256 обработчиков прерываний.

Вектор прерывания – ячейка памяти, содержащая адрес обработчика прерывания.

Вектора прерываний объединяются в таблицу векторов прерываний. Местоположение таблицы зависит от типа и режима работы микропроцессора.

Главные функции механизма прерывания:

1.Распознавание или классификация прерывания.

2. Передача управления обработчику прерывания.

3. Корректное возвращение к прерванной программе

Переход от прерванной программе к обработчику и обратно должен производится как можно быстрее. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе, перед передачей управления обработчику, содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке.

Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке им присваиваются приоритеты. Программы, управляя специальными регистрами маски, позволяют реализовать различные дисциплины обслуживания:

Вложенные прерывания.

При вложенных прерываниях, процедура обработки текущего прерывания может быть прервана (отложена) при поступлении запроса на прерывание, имеющего более высокий уровень приоритета. После обработки прерывания с более высоким уровнем приоритета процессор возвращается к прерванной процедуре и продолжает обработку данного прерывания до ее окончания или до нового прерывания. Очевидно, что процедура обработки прерывания с более высоким уровнем может быть в свою очередь прервана прерыванием с еще более высоким уровнем приоритета и т.д. При этом прерывания, имеющие более низкий уровень приоритета по сравнению с текущим, обычно запрещаются (маскируются).

Вложенные прерывания

Этот механизм полностью поддерживается в ОС QNX Neutrino. В предыдущих сценариях описывалась самая простая и наиболее распространенная ситуация, когда возникает только одно прерывание. Однако для получения максимального значения задержки в отсутствие немаскированных прерываний следует рассматривать время с учетом сразу всех текущих прерываний, так как немаскированное прерывание с более высоким приоритетом будет вытеснять текущее прерывание.

На рис. 2.25 показан выполняемый Поток А. Прерывание IRQx запускает обработчик прерываний Intx, который вытесняется прерыванием IRQy и обработчиком прерываний lnty. Обработчик прерываний Inty возвращает событие, которое запускает Поток В, а обработчик прерываний Intx возвращает событие, которое запускает Поток С.

Вызовы, связанные с прерываниями

Программный интерфейс обработки прерываний включает в себя следующие вызовы ядра.

Посредством этого программного интерфейса поток с соответствующими пользовательскими привилегиями может вызывать функцию InterruptAttachQ или Interrupt Attach EventQ, передавая номер аппаратного прерывания и адрес функции в адресном пространстве потока, которая должна быть вызвана при возникновении прерывания. ОС QNX Neutrino позволяет с каждым номером аппаратного прерывания связывать множество обработчиков прерываний (ISR). Немаскированные прерывания могут обрабатываться во время выполнения уже запущенных обработчиков прерываний.

Далее приводится пример программного кода, с помощью которого обработчик прерываний (ISR) присоединяется к аппаратному прерыванию таймера (которое ОС также использует в качестве системных часов). Обработчик прерываний таймера, имеющийся в ядре, самостоятельно выполняет очистку источников прерываний, поэтому он только увеличивает значение счетчика в пространстве данных потока и затем передает управление ядру.

В результате пользовательские потоки, имеющие соответствующие привилегии, могут динамически присоединять (и отсоединять) обработчики прерываний к (от) векторам аппаратных прерываний в процессе их выполнения. Эти потоки могут быть отлажены на уровне исходного текста с помощью обычных отладочных средств, а сам обработчик прерываний может быть отлажен посредством вызова этого обработчика на уровне потока и пошагового выполнения на уровне исходного текста или посредством вызова функции InterruptAttachEventQ.

Когда происходит аппаратное прерывание, процессор вызывает модуль первичной обработки прерываний (interrupt redirector) микроядра. Данный модуль записывает на стек регистровый контекст выполняемого потока в соответствующий элемент таблицы потоков и затем устанавливает такой контекст, чтобы у обработчика прерываний был доступ к программному коду и данным потока, в котором содержится этот обработчик прерываний. Таким образом, обработчик прерываний получает возможность использовать буферы и код в пользовательском: потоке для определения источника возникшего прерывания и, в случае если поток требует выполнения работы более высокого уровня, сгенерировать событие для того потока, в который входит данный обработчик прерываний, после чего этот поток может обработать данные, которые обработчик прерываний поместил в принадлежащий ему буфер.

Поскольку обработчик прерываний отображается в контекст содержащего его потока, он может непосредственно оперировать устройствами, отображенными в адресном пространстве потока, или самостоятельно выполнять команды ввода/вывода. В результате это избавляет от необходимости связывать драйверы устройств с ядром.

Модуль первичной обработки прерываний, который содержится в микроядре, вызывает все обработчики, связанные с данным аппаратным прерыванием. Если возвращенное значение указывает на то, что процессу должно быть передано некоторое событие, ядро ставит это событие в очередь. После того как последний обработчик прерываний вызывается для обработки данного вектора прерываний, обработчик прерываний ядра завершает работу с устройством управления прерываниями и "возвращается из прерывания".

Этот возврат из прерывания не обязательно должен приводить в контекст прерванного потока. Если событие, поставленное в очередь, заставило поток с более высоким приоритетом перейти в состояние готовности (READY), то микроядро выполнит возврат из прерывания в контекст потока, который является активным в текущий момент.

Таким образом устанавливается период (т. н. задержка обработки прерывания) между возникновением прерывания и выполнением первой инструкции обработчика прерываний, а также период (т. н. задержка планирования) между последней инструкцией обработчика прерываний и первой инструкцией потока, приведенного обработчиком прерываний в состояние готовности.

Период максимальной задержки обработки прерывания строго определяется благодаря тому, что ОС запрещает прерывания только на время выполнения нескольких инструкций в нескольких критических секциях программного кода. Периоды, в течение которых прерывания запрещены, продолжаются строго определенное время и не имеют зависимости от данных.

Модуль первичной обработки прерываний, имеющийся в микроядре, выполняет несколько инструкций перед тем, как вызвать обработчик прерываний. В результате вытеснение процессов по аппаратным прерываниям или вызовам ядра происходит одинаково быстро и посредством одной и той же цепи инструкций.

Во время своей работы обработчик прерываний имеет полный доступ к оборудованию (поскольку является частью привилегированного потока), но другие вызовы ядра выполнять не может. Обработчик прерываний должен реагировать на аппаратное прерывание с максимально возможной скоростью, выполнять минимальный объем работы для обслуживания прерывания (чтение байта из универсального асинхронного приемопередатчика (UART) и т. д.) и, при необходимости, производить планирование потока с некоторым приоритетом для выполнения дальнейшей работы.

Максимальная задержка обработки прерывания для заданного аппаратного приоритета может быть непосредственно вычислена, исходя из значения задержки обработки прерывания, вносимой ядром, и максимального времени работы обработчика прерываний по каждому прерыванию, имеющему более высокий аппаратный приоритет, чем заданный обработчик. Поскольку приоритеты аппаратных прерываний могут переназначаться, самому важному прерыванию в системе можно присвоить наивысший приоритет.

Следует отметить, что вызов функции InterruptAttachEventQ не приводит к запуску обработчика прерываний. Вместо этого по каждому прерыванию генерируется заданное пользователем событие. Как правило, это событие приводит к планированию ожидающего потока, чтобы он мог выполнить основную работу. Прерывание автоматически маскируется после генерации события и должно в нужный момент явно демаскироваться потоком, обслуживающим устройство.

Таким образом, приоритет работы, осуществляемой по аппаратным прерываниям, может регулироваться самой операционной системой, а не оборудованием. Источник прерывания не генерирует нового прерывания до тех пор, пока не будет обслужено текущее, что позволяет управлять действием прерываний на критические секции программного кода и осуществлять высокоточное управление планированием.

Пользовательские процессы и потоки могут "перехватывать" не только аппаратные прерывания, но и различные "события" внутри микроядра. Когда происходит какое-либо из этих событий, ядро может вызвать указанную внешнюю функцию (upcall) в пользовательском потоке для обработки данного события. Например, при каждом вызове потока idle пользовательский поток может указать ядру сделать внешний вызов для реализации специальных режимов энергосбережения оборудования.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Прерывания.
Рубрика (тематическая категория)	Программирование

Сторожевые таймеры.

Часто электрические помехи, производимые окружающим оборудованием, вызывают обращение микроконтроллера по неправильному адресу, после чего его поведение становится непредсказуемым (микроконтроллер ʼʼидет в раз­носʼʼ). Чтобы отслеживать такие ситуации в состав микроконтроллера часто включают сторожевые таймеры.

Это устройство вызывает сброс микроконтроллера, в случае если его содержимое не будет обновлено в течение определœенного промежутка времени (обычно от десятков миллисекунд до нескольких секунд). В случае если изменение содержимо­го программного счетчика не соответствует заданной программе, то команда модификации сторожевого таймера не будет выполнена. В этом случае сторо­жевой таймер производит сброс микроконтроллера, устанавливая его в ис­ходное состояние.

Многие разработчики не используют сторожевые таймеры в своих прило­жениях, так как не видят крайне важно сти их применения для борьбы с влия­нием электрических помех, к примеру, при размещении микроконтроллера в электронно-лучевом дисплее вблизи от трансформатора, обеспечивающего гашение обратного хода луча, или рядом с катушками зажигания в автомо­биле. В современной электронике вероятность возникновения электрических нарушений незначительна, хотя они иногда возникают в ситуациях, похо­жих на перечисленные выше.

Не рекомендуется использовать сторожевой таймер для маскирования программных проблем. Хотя данный таймер может уменьшить вероятность про­граммных ошибок, однако вряд ли он обеспечит исключение всœех возмож­ных причин их возникновения. Вместо того, чтобы надеяться на предотвра­щение программных сбоев аппаратными средствами, лучше более тщательно протестировать программное обеспечение в различных ситуациях.

Многие пользователи считают, что прерывания - это та часть аппаратного обеспечения, которую лучше оставить в покое, так как их использование требует превосходного знания процессора для разработки программы обра­ботки прерывания. В противном случае при возникновении прерывания сис­тема ʼʼзасыпаетʼʼ или ʼʼидет вразносʼʼ. Такое чувство обычно появляется у раз­работчика после опыта работы с прерываниями для персонального компьютера, который имеет ряд особенностей, усложняющих создание об­работчика прерываний. Многие из этих проблем не имеют места в оборудова­нии, реализованном на базе микроконтроллеров. Использование в данном оборудовании прерываний может существенно упростить его разработку и применение.

В случае если вы никогда не имели дело с прерываниями, то у вас возникнет вопрос - что это такое? В компьютерной системе прерывание - это запуск специальной подпрограммы (называемой ʼʼобработчиком прерыванияʼʼ или ʼʼпрограммой обслуживания прерыванияʼʼ), который вызывается сигналом аппаратуры. На время выполнения этой подпрограммы реализация текущей программы останавливается. Термин ʼʼзапрос на прерываниеʼʼ (interrupt request) используется потому, что иногда программа отказывается подтвердить пре­рывание и выполнить обработчик прерывания немедленно (рис 2.19).

Прерывания в компьютерной системе аналогичны прерываниям в повсœед­невной жизни. Классический пример такого прерывания - телœефонный зво­нок во время просмотра телœевизионной передачи. Когда звонит телœефон, у вас есть три возможности. Первый - проигнорировать звонок. Второй - отве­тить на звонок, но сказать, что вы перезвоните позже. Третий - ответить на звонок, отложив всœе текущие дела. В компьютерной системе также имеются три подобных ответа͵ которые бывают использованы в качестве реакции на внешний аппаратный запрос.

Первый возможный ответ - ʼʼне реагировать на прерывание, пока не за­вершится выполнение текущей задачиʼʼ - реализуется путем запрещения (маскирования) обслуживания запроса прерывания. После завершения задачи возможен один из двух вариантов: сброс маски и разрешение обслуживания, что приведет к вызову обработчика прерывания, или анализ значения битов (ʼʼполлингʼʼ). указывающих на поступление запросов прерывания и непос­редственное выполнение программы обслуживания без вызова обработчика прерывания. Такой метод обработки прерываний используется, когда требу­ется обеспечить заданное время выполнения основной программы, так как любое прерывание может нарушить реализацию крайне важно го интерфейса.

Рис. 2.18 - Выполнение прерывания.

Не рекомендуется долгое маскирование прерываний, так как в течение этого времени может произойти наложение нескольких событий, вызываю­щих прерывания, а распознаваться будет только одно. Допустимая продолжи­тельность маскирования зависит от конкретного применения микроконтрол­лера, типа и частоты следования таких событий. Не рекомендуется запрещать прерывания на время большее, чем половина минимального ожидаемого периода следования событий, запрашивающих прерывания.

Обработчик прерывания всœегда обеспечивает следующую последователь­ность действий:

2. Сбросить контроллер прерываний и оборудование, вызвавшее запрос.

3. Обработать данные.

4. Восстановить содержимое регистров контекста.

5. Вернуться к прерванной программе.

Регистры контекста - это регистры, определяющие текущее состояние выполнения основной программы. Обычно к их числу относятся программ­ный счетчик, регистры состояния и аккумуляторы. Другие регистры процессора, такие как индексные регистры, бывают использованы в процессе обработки прерывания, в связи с этим их содержимое также крайне важно сохра­нить. Все остальные регистры являются специфическими для конкретного микроконтроллера и его применения.

После сброса в исходное состояние контроллер прерываний готов вос­принимать следующий запрос, а оборудование, вызывающее прерывание, готово посылать запрос, когда возникают соответствующие причины. В случае если поступит новый запрос прерывания, то регистр маскирования прерываний процессора предотвратит обработку прерывания, но регистр состояния пре­рываний зафиксирует данный запрос, который будет ожидать своего обслужива­ния. После завершения обработки текущего прерывания маска прерываний будет сброшена, и вновь поступивший запрос поступает на обработку.

Вложенные прерывания сложны для реализации некоторыми типами мик­роконтроллеров, которые не имеют стека. Эти прерывания могут также выз­вать проблемы, связанные с переполнением стека. Проблема переполнения актуальна для микроконтроллеров из-за ограниченного объёма их памяти данных и стека: последовательность вложенных прерываний может привести к тому, что в стек будет помещено больше данных, чем это допустимо.

Наконец, прерывание обработано. Второй пример с телœевизором показы­вает, что можно быстро отреагировать на запрос прерывания, приняв необ­ходимые данные, которые будут затем использованы после решения теку­щей задачи. В микроконтроллерах это реализуется путем сохранения поступивших данных в массиве памяти и последующей их обработки, когда выполнение исходной программы будет завершено. Такой способ обслужива­ния является хорошим компромиссом между немедленной полной обработ­кой прерывания, которая может потребовать много времени, и игнорирова­нием прерывания, что может привести к потере информации о событии, вызвавшем прерывание.

Восстановление регистров контекста и выполнение команды возврата из прерывания переводит процессор в состояние, в котором он находился до возникновения прерывания.

Рассмотрим, что происходит с содержимым различных регистров при обработке прерывания. Содержимое регистра состояния обычно автомати­чески сохраняется вместе с содержимым программного счетчика перед обра­боткой прерывания. Это избавляет от крайне важно сти сохранять его в памяти программными средствами с помощью команд пересылки, а затем восста­навливать при возврате к исходной программе. При этом такое автоматическое сохранение реализуется не во всœех типах микроконтроллеров, в связи с этим орга­низации обработки прерываний следует уделить особое внимание.

В случае если содержимое регистра состояния сохраняется перед началом выпол­нения обработчика прерывания, то по команде возврата производится его автоматическое восстановление.

В случае если содержимое других регистров процессора изменяется при выполне­нии обслуживания прерывания, то оно также должно быть сохранено в памяти до изменения и восстановлено перед возвратом в основную программу. Обычно принято сохранять всœе регистры процессора, чтобы избежать не­предсказуемых ошибок, которые очень трудно локализовать.

Адрес, который загружается в программный счетчик при переходе к обра­ботчику прерывания, принято называть ʼʼвектор прерыванияʼʼ. Существует несколь­ко типов векторов. Адрес, который загружается в программный счетчик при запуске микроконтроллера (reset) принято называть ʼʼвектор сбросаʼʼ. Для различных прерываний бывают заданы разные вектора, что избавляет программу обслуживания от крайне важно сти определять причину прерывания. Использо­вание различными прерываниями одного вектора обычно не вызывает про­блем при работе микроконтроллеров, так как чаще всœего микроконтроллер исполняет одну единственную программу. Этим микроконтроллер отличается от персонального компьютера, в процессе эксплуатации которого могут до­бавляться различные источники прерываний. (В случае если вы когда-либо подклю­чали два устройства к портам СОМ1 и COM3, то вы представляете, о чем идет речь). В микроконтроллере, где аппаратная часть хорошо известна, не должно возникнуть каких-либо проблем при совместном использовании век­торов прерываний.

Последнее, что осталось рассмотреть, - это программные прерывания. Существуют процессорные команды, которые бывают использованы для имитации аппаратных прерываний. Наиболее очевидное использование этих команд - это вызов системных подпрограмм, которые располагаются в про­извольном месте памяти, или требуют для обращения к ним межсегментных переходов. Эта возможность реализована в микропроцессорах семейства Intel i86 и используется в базовой системе ввода-вывода BIOS (Basic Input/Output System) и операционной системе DOS персональных компьютеров для вызо­ва системных подпрограмм без крайне важно сти фиксирования точки входа. Вместо этого используются различные вектора прерываний, выбирающие команду, которая должна выполняться, когда происходит такое программ­ное прерывание.

Возможно после прочтения этой главы механизм прерываний станет для Вас более понятным или, наоборот. Вы только еще больше запутаетесь. При описании каждого микроконтроллера будет показано, как использование прерываний может упростить его применение.

Прерывания. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Прерывания." 2017, 2018.

Прерывания в микроконтроллерах представляет собоймеханизм, который позволяет микроконтроллеру реагировать на внешние события. Этот механизм работает таким образом, что при наступлении некоторого события в процессоре возникает сигнал, заставляющий процессор прервать выполнение текущей программы, т.е. говорят, что возникло прерывание. После того как выполнение текущей программы прервано, процессор должен перейти к выполнению программной процедуры, связанной с этим событием (прерыванием) – процедуры обработки прерывания. Однако, прежде чем перейти непосредственно к процедуре обработки прерывания, процессор должен выполнить ряд предварительных действий. Прежде всего, для того чтобы в будущем он смог корректно продолжить прерванную программу, необходимо сохранить состояние процессора (счетик команд, слово состояния процессора, внутренние регистры и т.д.) на момент, предшествующий прерыванию. Т.е. другими словами, требуется сохранить состояния всех тех ресурсов,которые так или иначе могут быть изменены в процессе обработки прерывания. Далее, если в системе имеется несколько возможных источников прерываний (а обычно так и бывает), процессор должен определить источник запроса прерываний. И, наконец, затем перейти к самой процедуре прерываний, конкретной для данного прерывания. По завершению обработки прерывания процессор должен восстановить состояние ресурсов, соответствующее прерванной программе, после чего она может быть продолжена. Следует отметить, что для сохранения всех требуемых ресурсов, поиска источника прерывания и перехода к процедуре обработки прерывания процессор должен затратить вполне определенное время. Это время называется скрытым временем прерывания. Чем меньше скрытое время прерывания, тем выше скорость реакции системы на внешние события и тем выше производительность системы. Во многом это определяется системой прерывания процессора и она является одной из основных особенностей архитектуры контроллера.

Под системой прерываний мы будем понимать совокупность аппаратных и программных средств, реализующих механизм прерываний в микроконтроллере. Хотя существуют большое множество различных вариантов построения систем прерываний, тем не менее, можно выделить несколько основных способов организации систем прерываний. Они отличаются между собой объемом аппаратных средств, необходимых для реализации такой системы и соответственно имеют различное быстродействие. Рассмотрим эти варианты.

Одноуровневые прерывания

Данная система прерываний реализована таким образом, что при возникновении прерывания процессор аппаратно переходит к подпрограмме обработки прерываний, расположенной по некоторому фиксированному адресу. Чтобы упростить аппаратную часть системы прерываний, этот адрес обычно располагается либо в начале, либо в конце адресного пространства программной памяти. Поскольку для обработки ВСЕХ прерываний используется только ОДНА точка входа, то такая система прерываний получила название одноуровневой. В такой системе выявление источника прерываний путем опроса состояния флажков признаков прерываний в начале программы обработки прерываний. При обнаружении установленного флажка происходит переход к соответствующему участку процедуры. Чем больше возможных источников прерываний, тем больше времени необходимо для обнаружения источника прерывания. Такой метод обнаружения источника прерывания называется программным опросомили поллингом (polling ). Его недостатком является довольно большое время, затрачиваемое на поиск источника прерывания и, как следствие, замедленная реакция системы на внешние события. Его достоинство – простота реализации системы прерываний.

Векторные прерывания

Чтобы значительно уменьшить время реакции на внешние события, используются многоуровневые или, что то же самое, векторные прерывания. В векторных прерываниях КАЖДОМУ источнику прерывания соответствует СВОЙ, вполне определенный, адрес процедуры обработки прерывания, который принято называть вектором прерывания.

Вообще, в качестве вектора прерывания могут быть использованы любые данные (адрес подпрограммы, адрес перехода, значение смещения относительно начала таблицы прерываний, специальные инструкции и т.д.), которые позволяют непосредственно перейти к процедуре обработки прерывания, не затрачивая времени на поиск источника прерывания. Какие данные используются в качестве вектора прерывания и каким именно образом они используются зависит от способа реализации системы прерываний в соответствующем процессоре.

PIC vs . AVR vs. MSP vs mcs51. В контроллерах PIC 16 реализована одноуровневая система прерывания. При возникновении прерывания, процессор переходит по адресу 0x0004 (точка входа по прерыванию). Далее, после контекстного сохранения регистров, выполняется программный опрос признаков прерываний (поллинг ). Нужно также отметить, что при обнаружении источника прерывания требуется сбросить соответствующий установленный флажок запроса на прерывания.

В семействе PIC 18 используется как одноуровневая (в режиме совместимости с PIC 16), так и двухуровневая система прерываний. В режиме совместимости при возникновении прерывания процессор переходит к процедуре обработки прерывания по адресу 0x 000008 и далее все происходит аналогично PIC 16. При двухуровневой системе прерывания имеются два вектора перехода 0x 000008 и 0x 000018. Присвоение уровня каждому из имеющихся источников прерывания задается программным путем, с помощью соответствующих признаков. Способ организации системы прерывания (одно- или двухуровневая ) также определяется значением соответствующего разряда в регистре управления прерываниями.

В контроллерах семейства AVR реализована векторная система прерываний. При обнаружении прерывания, процессор сразу переходит по вектору прерывания к процедуре обработки прерываний от данного источника. Вектора прерываний расположены в начальных адресах программной памяти и представляют из себя команду перехода на обработчик прерывания. Количество векторов прерываний соответствует числу возможных источников прерываний, которые зависят от конкретного типа контроллера. Следует добавить, что сброс флажков запроса на прерывания происходит автоматически при переходе по вектору прерывания и выполнение каких-либо инструкций для этого не требуется.

В контроллерах семейства MSP 430 система прерываний также является векторной, т.е. каждому периферийному модулю соответствует свой вектор прерывания. Однако, это не исключает необходимости программного контроля (поллинга ), т.к. некоторые периферийные модули имеют множественные источники прерываний. Пример – прерывания от порта ввода/вывода. В данном случае имеется возможность программно разрешать прерывания от индивидуальных выводов порта. Даже в том случае, если разрешеныпрерывания от более, чем одного входа, они все будут иметь одинаковый вектор прерываний. Определить какой конкретно вход являлся источником прерывания можно только программно. Эта особенность также влияет и на сброс флагов прерываний – флаги прерывания с множественными источниками не сбрасываются автоматически в отличие от флагов прерывания с одним источником. Адрес и количество векторов прерывания зависят от конкретного типа контроллера. Вектора прерываний находятся в конце программной памяти (адресного пространства) и представляют из себя адрес обработчика прерывания.

В контроллерах семейства mcs 51 система прерываний также является векторной, но для вектора прерывания зарезервирован довольно большой обьем памяти (8 байт), что иногда бывает достаточно для его обработчика. Флаги прерывания сбрасываются автоматически при переходе к обработчику прерываний, если у прерывания возможен только один источник и несбрасываются если у прерывания может быть два и более источников. В последнем случае необходимо программно сбросить флаг вызвавший прерывание после выяснения причины прерывания (поллинга ). Вектора располагаются в начальных адресах программной памяти.

Приоритетные прерывания

Обычно, значимость тех или иных событий в системе неодинакова. Одни события более важны и требуют немедленной реакции, другие менее важны, и с ответом на них можно подождать. Естественно, что и соответствующие этим событиям прерывания должны иметь разный приоритет. При одновременном возникновении нескольких прерываний, процессор должен перейти к обработке прерывания, имеющего более высокий приоритет. Этот процесс происходит на аппаратном уровне ядра процессора и называется последовательностью опроса прерываний (interrupt polling sequence ).

PIC vs . AVR vs MSP vs. mcs51. В семействе PIC 16 приоритет опроса того или иного прерывания определяется очередностью опроса соответствующего флажка прерывания. Приоритет опроса прерывания будет выше утех прерываний, у которых флажки запросов на прерывания будут опрашиваться в первую очередь. Порядок опроса флажков признаков прерывания целиком определяется программой обработки прерывания и может быть изменен при ее изменении.

В контроллерах PIC 18 при двухуровневой системе прерывания более высокий уровень приоритетаимеют прерывания с вектором 0x 000008. В пределах одного уровня приоритетность прерывания определяется программно, так же как и у PIC 16.

В семействе AVR приоритета опроса жестко фиксирован и не может быть изменен. Чем меньше адрес вектора прерывания, тем выше уровень опроса прерывания ему соответствующего.

В семействе MSP 430 приоритет опроса также жестко фиксирован и неизменяем, но зависимость приоритета опроса прерывания обратная – чем выше адрес вектора прерывания, тем выше приоритет опроса данного прерывания.

В семействе mcs 51 приоритет опроса полностью анологичен контроллерам семейства AVR .

Вложенные прерывания

При вложенных прерываниях, процедура обработки текущего прерывания может быть прервана (отложена) при поступлении запроса на прерывание, имеющего более высокий уровень приоритета. После обработки прерывания с более высоким уровнем приоритета процессор возвращается к прерванной процедуре и продолжает обработку данного прерывания до ее окончания или до нового прерывания. Очевидно, что процедура обработки прерывания с более высоким уровнем может быть в свою очередь прервана прерыванием с еще более высоким уровнем приоритета и т.д. При этом прерывания, имеющие более низкий уровень приоритета по сравнению с текущим , обычно запрещаются (маскируются).

PIC vs . AVR . В семействе PIC16 процедура обработки любого прерывания начинается с одного и того же адреса и реализовать вложенные прерывания крайне затруднительно, если это вообще возможно.

В контроллерах PIC 18 при двухуровневой системе прерывания возможно прерывание процедур прерывания с низким уровнем приоритета прерываниями, имеющими более высокий уровень.

В семействе AVR в процедурах обработки прерываний глобальные прерывания автоматически запрещаются, и процедура обработки прерывания не может быть прервана. Тем не менее, если это необходимо, то можно в процедуре обработки прерыванияиспользовать инструкцию разрешения прерываний, разрешая тем самым вложенность прерываний. Естественно, что в этом случае сама эта процедура может быть прервана любым прерыванием, даже если оно имеет меньший уровень приоритета, по сравнению с текущим уровнем.

Аналогично организована обработка прерываний в семействе MSP . Следует, однако, отметить, что организация программы с вложенными прерываниями требует от программиста особого внимания. Более того, обработка прерывания внутри другого прерывания вообще является нежелательной и должна применяться только в крайних случаях. Ввиду того, что флаги прерываний устанавливаются аппаратно вне зависимости от того, разрешены ли прерывания глобально битом GIE , в большинстве случаев не представляет сложности обработка прерываний без использования вложенности.

В семействе mcs 51 аппаратно предусмотрена возможность вложенных прерываний. Для этого каждому типу прерывания может быть задан уровень приоритета high и прерывание с данным уровнем может прервать обработку другого прерывания с уровнем приоритета low . Приоритеты внутри одного уровня приоритета располагаются согласно последовательности опроса прерываний (interrupt polling sequence ).

Механизм приоритетов (МП) показывает какие устройства нужно обслужить первыми. МП решает следующие задачи:

Фиксирует приоритет любой выполняемой процессором программы.

Идентифицирует ЗП от ВУ с максимальным приоритетом.

Разрешает прерывание программы при возникновении запроса с большим приоритетом.

Прерывание программы обслуживания прерываний называется вложенным прерыванием.

Рис. 6.4 Пример работы ЦП в режиме вложенных прерываний.

На рис 6.4 показан пример вложенного прерывания:

До t 1 нет ЗП

t 1 → ЗП от ВУ4

t 2 → ЗП от ВУ3

t 3 → ЗП от ВУ2

t 4 → закончено обслуживание ВУ2

t 5 → ЗП от ВУ1

t 6 → закончено обслуживание ВУ1

t 7 → закончено обслуживание ВУ3

t 8 → закончено обслуживание ВУ4

Недостаток: При большой частоте поступления ЗП ЦП работает неэффективно, т.к. много времени ЦП расходуется на ЗП, восстановление регистров процессора, переход от одной программы к другой.

Можно уменьшить частоту ЗП путем включения буферных ЗУ.

При присвоении приоритетов ВУ учитываются следующие условия:

Чем больше быстродействие устройства, тем выше приоритет ему присваивается.

Наивысший приоритет присваивается устройству, данные от которого не могут быть восстановлены (обычно таймер).

В ЭВМ семейства Macintosh приоритет программы указывается во втором слове ВП.

В ЭВМ семейства IBM PC приоритет программы устанавливается с помощью специальной БИС (большая интегральная схема) – программируемый контроллер прерываний.

Техническая реализация многоуровневых вложенных приоритетных векторных прерываний в ЭВМ на основе единого магистрального канала обмена данными.

Реализация многоуровневых ВП в ЭВМ семейства IBM .

Для Реализация многоуровневых ВП в ЭВМ семейства IBM применена БИСIntel 8259A .

Технические характеристики бис Intel 8259a.

Число уровней ЗП = 8.

Количество уровней можно расширить до 64 за счет каскадного включения микросхем

Режим обслуживания ЗП, уровни приоритетов, АВП устанавливаются программным путем.

Техническая реализация приоритетных векторных прерываний в ЭВМ с изолированными магистральными каналами обмена данными (семейство IBM AT ): режимы работы программируемого контроллера прерываний (ПКП),

схема подключения ПКП к системной магистрали,

Схема включения ПКП к системной шине ВУ.

Рис. 6.7 Схема включения ПКП к системной шине и ВУ.

Назначение выводов БИС:

D 7- D 0 – выводы ШД, служат для приема управляющее информации от ЦП и передачи статусной информации в ЦП.

A 0 – адресный вход, адресация внутренних регистров контроллера (2 адреса).

~ CS (chip select ) - выбор кристалла, разрешает или запрещает связь контроллера с системной шиной.

• ~CS = 0 – есть связь, ~CS = 1 – нет связи.

Первый ПКП использует адреса – 20 h , 21 h .

Второй ПКП использует адреса – A 0 h , A 1 h .

~ RD , ~ WR – ввод, вывод (сигналы ШУ), соединяются с линиями магистрали~ IOR и ~ IOW .

INT (выход) – сигнал ЗП в ЦП.

~INTA (interrupt acknowledge) – сигнал РП от ЦП.

CAS 2, CAS 1, CAS 0 – шина каскадирования. Для ведущего контроллера прерывания эти линии являются выходами, а для ведомого – входами.

~ SP /~ EN – указывает ведущий (1) или ведомый (0) ПКП.

IR 0... IR 7 – входы запросов прерывания от ВУ.

функциональный состав и программная модель ПКП.