Курсовая работа: Организация прерываний и прямого доступа к памяти в вычислительных системах, распределение ресурсов, технология Plug and Play

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

Запрос	Источник	P	вектор1	вектор2
NMI	Ошибка памяти или другая неисправимая ошибка в системе	02h
IRQ0	Системный таймер	1	08h	50h
IRQ1	Клавиатура	2	09h	51h
IRQ8	Часы реального времени	3	70h	58h
IRQ9	Устройство на системной шине	4	71h	59h
IRQ10	Устройство на системной шине	5	72h	5Ah
IRQ11	Устройство на системной шине	6	73h	5Bh
IRQ12	Устройство на системной шине	7	74h	5Ch
IRQ13	Ошибка сопроцессора	9	75h	5Dh
IRQ14	IDE контроллер	9	76h	5Eh
IRQ15	Устройство на системной шине	10	77h	5Fh
IRQ3	Последовательный порт (COM2 или COM4)	11	0Bh	52h
IRQ4	Последовательный порт (COM1 или COM3)	12	0Ch	53h
IRQ5	Параллельный порт (LPT2) или IDE контроллер (вторичный)	13	0Dh	54h
IRQ6	Контроллер дисковода	14	0Eh	55h
IRQ7	Параллельный порт (LPT1)	15	0Fh	56h

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.

00h	Ошибка при выполнении команды деления.
01h	Прерывание для пошаговой работы, используется отладчиками.
02h	Немаскируемое прерывание.
03h	Прерывание по точке останова для отладчиков.
04h	Переполнение, генерируется командой INTO, если установлен флаг переполнения OF.
05h	Генерируется при выполнении машинной команды BOUND, если проверяемое значение вышло за пределы заданного диапазона.
06h	Недействительный код операции, или длина команды больше 10 байт.
07h	Отсутствие арифметического сопроцессора.
08h	Двойная ошибка, вырабатывается в том случае, если при обработке исключения возникло ещё одно исключение. Если во время обработки этого прерывания возникает третье исключение, процессор переходит в состояние отключения, что приводит к перезапуску процессора.
09h	Превышение сегмента арифметическим сопроцессором.
0Ah	Недействительный сегмент состояния задачи TSS.
0Bh	Отсутствие сегмента. Вырабатывается при попытке использовать для адресации дескриптор, у которого бит присутствия сегмента в памяти P сброшен в 0. Это прерывание используется для реализации механизма виртуальной памяти. В этом случае по прерыванию 0Bh операционная система может выполнить подкачку отсутствующего сегмента в память.
0Ch	Исключение при работе со стеком. Может возникать в случае отсутствия сегмента стека в памяти или в случае переполнения (антипереполнения) стека.
0Dh	Исключение по защите памяти. Возникает при любых попытках получения доступа к сегментам памяти, если программа обладает недостаточным уровнем привилегий.
0Eh	Отказ страницы для процессоров i80386 или i80486, зарезервировано для i80286.
0Fh	Зарезервировано.
10h	Исключение сопроцессора.
11h - 1Ah	Зарезервированы.

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.

5. Контроллер прерываний APIC (AdvancedProgrammableInterruptController)

Система с APIC (рис.3.) состоит из локальных контроллеров, установленных в процессорах, и контроллеров прерываний (одного или нескольких) от устройств ввода/вывода. Задача каждого локального контроллера (Local APIC) — трансляция полученных сообщений в сигналы, вызывающие все аппаратные прерывания своего процессора — маскируемые (INTR), немаскируемые (NMI) и прерывания системного обслуживания (SMI). Кроме того, локальные APIC позволяют каждому процессору генерировать прерывания для других процессоров. Локальный контроллер имеет внутренний интервальный таймер, позволяющий вырабатывать прерывания через программируемый интервал времени.

Рис.3. Взаимодействие встроенного APIC и I/O APIC по системной шине