Аппаратные средства системы прерываний Системный контроллер PIC (Programmable Interrupt Controller)

3. Аппаратные средства системы прерываний Системный контроллер PIC (Programmable Interrupt Controller)

Рассмотрим, как организована система прерываний в IBM-совместимых персональных компьютерах. Современный процессор предназначен для работы в многопроцессорных системах и организация прерываний претерпела некоторые изменения. Если ранее для организации прерываний применялся только системный контроллер PIC (Programmable Interrupt Controller), то начиная с процессора Pentium каждый современный процессор имеет встроенный контроллер APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) для выполнения ряда новых функций и поддержки ранее введенной системы прерываний. Часть контроллера APIC - I/O APIC встраивается в чипсет, обеспечивающий работу процессора в вычислительной системе и, кроме дополнительных функций, выполняющий функции контроллера PIC, поддерживая аппаратную совместимость с прежними вычислительными системами. Чтобы понять, как работает современная система прерываний, познакомимся с обработкой прерываний на основе контроллера 8259А.

4. Обработка прерываний на основе контроллера 8259A

Программируемый контроллер прерываний PIC 8259A представляет собой устройство, реализующее до восьми уровней запросов на прерывания с возможностью программного маскирования и изменения порядка обслуживания прерываний. За счет каскадного включения число уровней прерывания может быть расширено до 64. Установка контроллера в исходное состояние и "настройка" его на определенный режим обслуживания прерываний происходит с помощью двух типов команд: команд инициализации (ICW) и команд управления операциями (OCW). На рисунке 1 показана структурная схема контроллера прерываний. Контроллер прерываний включает следующие блоки:

RGI - регистр запросов прерываний IRQx.

PRB - схема принятия решений по приоритетам; схема идентифицирует приоритет запросов и выбирает запрос с наивысшим приоритетом.

ISR - регистр обслуживаемых прерываний; сохраняет запросы прерываний, находящиеся на обслуживании контроллера прерываний.

RGM - регистр маскирования прерываний; обеспечивает запрещение одной или нескольких линий запросов прерывания.

BD - буфер данных; предназначен для сопряжения с системной шиной данных.

RWCU - блок управления записью/чтением; принимает управляющие сигналы от микропроцессора и задает режим функционирования контроллера прерываний.

CMP - схема каскадного буфера-компаратора; используется для включения в систему нескольких контроллеров.

CU - схема управления; вырабатывает сигналы прерывания и формирует трехбайтовую команду CALL для выдачи на шину данных.

Рис.1. Структура контроллера прерываний 8259А

И так, один контроллер 8259A способен обслуживать прерывания от 8 источников и этого было достаточно для компьютеров IBM PC ХT. В системах IBM PC AT применяется каскадное соединение двух контроллеров (рис.2), один из которых является ведущим, другой — ведомым. Ведущий контроллер 8259A#1( master) обслуживает запросы 0, 1, 3–7; его выход подключается к входу запроса прерываний процессора. К входу 2 контроллера 8259A#1 подключен ведомый контроллер 8259A#2 (slave), который обслуживает запросы 8–15. При этом поддерживается вложенность приоритетов — запросы 8–15 со своим рядом убывающих приоритетов вклиниваются между запросами 1 и 3 ведущего контроллера, приоритеты запросов которого также убывают с ростом номера. В качестве примера отметим, что к линии IRQ 0 подключен системный таймер, к линии IRQ 1 - клавиатура, к линии IRQ 8 - часы реального времени и т.д. Такое каскадное подключение позволяет 15-ти устройствам посылать запрос на обслуживание (прерывание текущей программы).

Рис. 2. Каскадное включение контроллеров прерываний

На современных системных платах функции контроллеров прерываний возлагаются на чипсет, который может иметь и более гибкие возможности управления, чем пара контроллеров 8259A. Процедура инициализации контроллеров может отличаться от традиционной, ею занимается тест POST, который учитывает особенности системной платы. Однако при выполнении операций, связанных с реализацией режима прерывания всегда сохраняется программная совместимость с 8259A. Поскольку в каждый момент времени может поступить более чем один запрос на прерывание, контроллер прерываний имеет схему приоритетов. В основном режиме - режиме полного вложения, - до тех пор, пока установлен разряд в регистре ISR, соответствующий запрашиваемому прерыванию, все последующие запросы с таким же или более низким приоритетом игнорируются, подтверждаются лишь запросы с более высоким приоритетом.

В циклическом режиме используется круговой порядок использования приоритетов. Последнему обслуженному запросу присваивается низший приоритет, следующему по кругу - наивысший, что гарантирует обслуживание остальных устройств до очередного обслуживания данного устройства.

Контроллер допускает маскирование отдельных запросов прерываний, что позволяет устройствам с более низким приоритетом получить возможность генерировать прерывания. Режим специального маскирования разрешает прерывания всех уровней, кроме уровней, обслуживаемых в данный момент.

Кроме того, для каскадного включения возможен специальный режим полного вложения. Этот режим программируется при инициализации контроллера. В данном режиме игнорируются запросы с приоритетом более низким, чем приоритет обрабатываемого в данный момент запроса, и обслуживаются все запросы с равным или более высоким приоритетом.

Взаимодействие контроллера прерываний с внешним устройством осуществляется по следующей схеме. Пусть в некоторый момент времени контроллер клавиатуры с помощью единичного сигнала по линии IRQ 1 известил контроллер прерываний о своей готовности к обмену. В ответ на запрос контроллер прерываний генерирует сигнал INTR (запрос на прерывание) и посылает его на соответствующий вход процессора. Процессор, если маскируемые прерывания разрешены (т.е. установлен флаг прерываний IF в регистре флагов процессора), посылает на контроллер шины сигналы R# - чтение, C# - управление и IO# - ввод/вывод, определяющие тип цикла шины. Контроллер шины, в свою очередь, генерирует два сигнала подтверждения прерывания INTA# и направляет их на контроллер прерываний. По второму импульсу контроллер прерываний выставляет на шину данных восьмибитный номер вектора прерывания, соответствующий данной линии IRQ.

В режиме реального адреса ("реальном" режиме) векторы прерываний хранятся в таблице векторов прерываний, которая находится в первом килобайте оперативной памяти. Под каждый вектор отведено 4 байта (2 байта под адрес сегмента и 2 байта под смещение), т.е. в таблице может содержаться 256 векторов.

Далее процессор считывает номер вектора прерывания. Сохраняет в стеке содержимое регистра флагов, сбрасывает флаг прерываний IF и помещает в стек адрес возврата в прерванную программу (регистры CS и IP). После этого процессор извлекает из таблицы векторов прерываний адрес подпрограммы обработки прерываний для данного устройства и приступает к ее выполнению.

Процедура обработки аппаратного прерывания должна завершаться командой конца прерывания EOI (End of Interruption), посылаемой контроллеру прерываний. Для этого необходимо записать байт 20h в порт 20h (для первого контроллера) и в порт A0h (для второго).

В IBM PC/AT используется режим прерываний с фиксированными приоритетами. Как мы уже отмечали, высшим приоритетом обладает запрос по линии IRQ0, низшим - IRQ7. Так как второй контроллер подключен к линии IRQ2 первого контроллера, то приоритеты линий IRQ в порядке убывания приоритета располагаются следующим образом: IRQ0, IRQ1, IRQ8 - IRQ15, IRQ3 - IRQ7. Если запрос на обслуживание посылают одновременно два устройства с разными приоритетами, то контроллер обслуживает запрос с большим приоритетом, а запрос с меньшим приоритетом блокирует. Блокировка сохраняется до получения команды EOI. В таблице 1. приведены источники прерываний, соответствующие им линии запроса, расположенные по убыванию приоритета - P, вектор1 - значение вектора в таблице векторов реального режима (реального адреса), вектор2 - значение вектора, который использует операционная система (в защищенном режиме).

Таблица прерываний защищённого режима называется дескрипторной таблицей прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table).

Таблица 1. Источники аппаратных прерываний в IBM PC AT

Дескрипторная таблица прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table) располагается по адресу, который заносится в 5-байтовый внутренний регистр процессора IDTR. Регистр IDTR содержит 24-битовый физический адрес дескрипторной таблицы прерываний IDT и её предел.

Для обработки особых ситуаций - исключений был зарезервирован 31 номер прерывания. В таблице 2 приведён полный список зарезервированных прерываний защищённого режима.

Таблица 2. Зарезервированные прерывания защищённого режима.

Перед тем, как передать управление обработчику исключения, процессор для некоторых исключений помещает в стек 16-битовый код ошибки. Код ошибки программа анализирует и получает дополнительную информацию об ошибке. Коды ошибок включаются в стек не только для следующих исключений:

08h - двойная ошибка;

0Ah - недействительный сегмент состояния задачи TSS;

0Bh - отсутствие сегмента в памяти;

0Ch - исключение при работе со стеком;

0Dh - исключение по защите памяти.

Заметим, что аналога коду ошибки для зарезервированных прерываний в реальном режиме нет. Рассмотрим следующий пример: Пусть в нашей системе реализована виртуальная память. Программа в некоторый момент времени обратилась к отсутствующему в оперативной памяти сегменту, выполняя какую-либо команду, например MOV или ADD. Возникло исключение 0Bh - отсутствие сегмента в памяти. Обработчик этого исключения, входящий в состав операционной системы поместил соответствующий сегмент в оперативную память. Затем выполнение прерванной команды повторяется. Это можно сделать, так как для всех повторно запускаемых исключений (кроме 03h - прерывание по точке останова и 04h - переполнение) в стек включается адрес не следующей за прерванной командой, а адрес первого байта команды, которая вызвала исключение. Выполнив команду IRET, программа обработки исключения вновь передаст управление прерванной команде. Свойством повторной запускаемости обладает большинство зарезервированных прерываний, кроме следующих:

01h - прерывание для пошаговой работы;

08h - двойная ошибка;

09h - превышение сегмента сопроцессором;

0Dh - исключение по защите памяти;

10h - исключение сопроцессора.

После возврата процессора в реальный режим необходимо восстановить состояния контроллера прерываний. При этом BIOS перепрограммирует контроллер прерываний для работы в реальном режиме При загрузке операционной системы, после инициализации процедурой POST, все неиспользуемые входы контроллеров будут замаскированы (на запросы прерываний реагировать не будут), их векторы прерываний указывают на процедуру с единственной инструкцией IRET (возврат). Для подключения программы обработчика прерывания необходимо загрузить обработчик в память и установить указатель на него в таблице прерываний, размаскировать соответствующий ему вход в контроллере прерываний, для чего выполняется обнуление соответствующего бита регистра маски. Если же обработчик прерывания удаляется из памяти, предварительно должен быть замаскирован соответствующий ему вход контроллера. Все изменения в таблице прерываний должны выполняться при замаскированных прерываниях, чтобы избежать попытки использования вектора в процессе его модификации. Для устройств PCI выделяется четыре проводных линии запросов (IRQX, IRQY, IRQZ, IRQW), соединяемых с контактами INTA#, INTB#, INTC# и INTD# всех слотов PCI с циклическим смещением цепей. Таким образом, на слотах PCI остаются доступными лишь четыре обычные линии запросов. Устройство PCI вводит сигнал прерывания низким уровнем на выбранную линию INTx#. Этот сигнал должен удерживаться до тех пор, пока программный драйвер, вызванный по прерыванию, не сбросит запрос прерывания, обратившись по шине к данному устройству. Если после этого контроллер прерываний снова обнаруживает низкий уровень на линии запроса, это означает, что запрос на ту же линию ввело другое устройство, разделяющее данную линию с первым, и оно тоже требует обслуживания. Линии запросов от слотов PCI и PCI-устройств системной платы коммутируются на входы контроллеров прерываний относительно произвольно. Конфигурационное программное обеспечиние может определить и указать занятые линии запросов и номер входа контроллера прерываний обращением к конфигурационному пространству устройства. Программный драйвер, прочитав конфигурационные регистры, тоже может определить эти параметры для того, чтобы установить обработчик прерываний на нужный вектор и при обслуживании сбрасывать запрос с требуемой линии. Каждая функция устройства PCI может задействовать свою линию запроса прерывания, но его обработчик прерывания должен быть готовым к ее разделению (совместному использованию) с другими устройствами.

Похожие работы

Программное обеспечение

Скачать

21932

0

4

... – набор утилит и некоторые инструментальные программы (пользовательский интерфейс). К третьему уровню относятся все остальные программы. Программы второго и третьего уровней хранятся в файлах. Программное обеспечение первого уровня является машинно-зависимым [computer-independent]. То есть для каждого микропроцессора или семейства ЭВМ набор данных программ уникален. Операционная система имеет ...

Информатика и программное обеспечение ПЭВМ

Скачать

448518

14

55

... также невысока и обычно составляет около 100 кбайт/с. НКМЛ могут использовать локальные интерфейсы SCSI. Лекция 3. Программное обеспечение ПЭВМ 3.1 Общая характеристика и состав программного обеспечения 3.1.1 Состав и назначение программного обеспечения Процесс взаимодействия человека с компьютером организуется устройством управления в соответствии с той программой, которую пользователь ...

Курс лекции по компьютерным сетям

Скачать

293733

5

0

... метод доступа с передачей полномочия. Охарактеризовать метод множественного доступа с разделением частоты. Какие существуют варианты использования множественного доступа с разделением во времени? Лекция 5.ЛВС и компоненты ЛВС Компьютерная сеть состоит из трех основных аппаратных компонент и двух программных, которые должны работать согласованно. Для корректной работы устройств в сети их нужно ...

Электронный документооборот страхового общества

Скачать

229314

33

0

... вычислительным сетям"; ГОСТ 11326.2-79, ГОСТ 11326.16-79; структурной схемой ЛВС; необходимыми документами по обеспечению режимных мероприятий, специальными требованиями, предъявляемыми к электронно-вычислительной технике (ЭВТ) объектов информации соответствующей категории и предписаниями на эксплуатацию. Требования к средствам вычислительной техники Стандартными средствами при оснащении объектов ...