Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана Bauman National Library
Персональные инструменты
Прерывание (Операционные Системы)
Каждое прерывание имеет свой собственный обработчик прерываний. Количество аппаратных прерываний ограничено числом строк запроса прерывания (IRQ) для процессора, но могут быть сотни различных программных прерываний. Прерывания — это широко используемая техника многозадачности компьютеров, в первую очередь в реальном времени. Такая система называется управляемой прерываниями.
Содержание
История
Первое фактическое использование прерываний приписывают компьютеру UNIVAC 1103 в 1953 году. [2] На IBM 650 (1954) было применено впервые прерывание путём маскировки. Национальное бюро стандартов DYSEAC (1954) первым использовало прерывания для ввода / вывода. IBM 704 был первым компьютером, использующим прерывания для отладки с «передаточной ловушкой», которая может ссылаться на специальную процедуру, когда команда ветвления была имеет столкновение. Система TX-2 (1957) была первой, обеспечивающей несколько уровней приоритетных прерываний. [3]
Типы прерываний
Прерывания могут быть разделены на следующие типы:
Процессоры обычно имеют внутреннюю маску прерываний, которая позволяет программному обеспечению игнорировать все внешние аппаратные прерывания, пока она установлена. Установка или очистка этой маски может быть быстрее, чем доступ к регистру маски прерываний (IMR) в PIC или отключение прерываний в самом устройстве. В некоторых случаях, например в случае архитектуры x86, отключение и включение прерываний на самом процессоре действует как барьер памяти.
Прерывание, которое оставляет машину в четко определенном состоянии, называется точным прерыванием. Такое прерывание имеет четыре свойства:
Прерывание, которое не соответствует указанным выше требованиям, называется неточным прерыванием.
Аппаратные прерывания
Аппаратные прерывания используются устройствами для передачи информации о том, что они требуют внимания со стороны операционной системы. [4] Внутренние аппаратные прерывания реализуются с использованием электронных сигналов оповещения, которые отправляются процессору от внешнего устройства, которое является частью самого компьютера, например контроллер диска, или внешнее периферийное устройство. К слову, нажатие клавиши на клавиатуре или перемещение мыши вызывают аппаратные прерывания, которые заставляют процессор считывать нажатие клавиши или положение мыши. В отличие от типа программного обеспечения, аппаратные прерывания являются асинхронными и могут произойти в середине выполнения инструкции, что требует дополнительного внимания при программировании. Акт инициирования аппаратного прерывания называется запросом прерывания (IRQ). [1]
Программные прерывания
Программное прерывание вызвано либо исключительным состоянием в самом процессоре, либо специальной инструкцией в наборе команд, которая вызывает прерывание, когда инструкция выполняется (см. рисунок 1). Первую часто называют ловушкой или исключением и используют для ошибок или событий, происходящих во время выполнения программы, которые настолько исключительны, что не могут быть обработаны в самой программе. Например, исключение деления на ноль будет выдано, если арифметическо-логическому блоку процессора приказано будет делить число на ноль, поскольку эта инструкция является ошибкой и невозможной. Операционная система поймает это исключение и сможет решить, что с этим делать: как правило, прерывать процесс и отображать соответствующее сообщение об ошибке. Инструкции программного прерывания могут функционировать аналогично вызовам подпрограмм и используются для различных целей, таких как запрос служб от драйверов устройств, например прерывания, отправляемые на контроллер диска и с контролера диска для запроса чтения или записи данных на диск и с диска. [1]
Сложность с разделением линий прерывания
Несколько устройств, совместно использующих линию прерывания (любого стиля запуска), действуют как источники паразитных прерываний по отношению друг к другу. При наличии множества устройств в одной линии рабочая нагрузка при обслуживании прерываний увеличивается пропорционально квадрату количества устройств. Поэтому предпочтительно распределять устройства равномерно по доступным линиям прерывания. Нехватка линий прерывания является проблемой в старых конструкциях системы, где линии прерывания являются различными физическими проводниками. Прерывания с сигналом сообщения, где линия прерывания является виртуальной, предпочтительны в новых системных архитектурах (таких как PCI Express) и в значительной степени решают эту проблему.
Проблемы с производительностью
С многоядерными процессорами, дополнительные улучшения производительности в обработке прерываний могут быть достигнуты с помощью масштабирования на стороне приема (RSS), когда используются сетевые адаптеры с несколькими очередями. Такие NIC предоставляют несколько очередей приема, связанных с отдельными прерываниями; путем маршрутизации каждого из этих прерываний на разные ядра обработка запросов на прерывание, запускаемых сетевым трафиком, полученным одним NIC, может быть распределена между несколькими ядрами. Распределение прерываний между ядрами может выполняться операционной системой автоматически, либо маршрутизация прерываний (обычно называемая привязкой IRQ) может быть настроена вручную.
Чисто программная реализация распределения принимаемого трафика, известная как управление приемными пакетами (RPS), распределяет принятый трафик между ядрами позже в тракте данных как часть функциональности обработчика прерываний. Преимущества RPS по RSS не включают требований к конкретному оборудованию, более продвинутым фильтрам распределения трафика и уменьшенной частоте прерываний, создаваемых NIC. Как недостаток, RPS увеличивает частоту межпроцессорных прерываний (IPI). Управление потоком приема (RFS) расширяет программный подход, учитывая локальность приложений; Дальнейшее улучшение производительности достигается за счет обработки запросов на прерывание теми же ядрами, на которых конкретные сетевые пакеты будут использоваться целевым приложением. [1]
Типичное использование
Типичное использование прерываний включает в себя следующее: системные таймеры, дисковый ввод / вывод, сигналы-выключение и ловушки. Существуют прерывания для передачи байтов данных с использованием UART или Ethernet; для чувствительных нажатий клавиш, управления двигателями и т.д.
Другое типичное использование состоит в том, чтобы генерировать периодические прерывания путем деления выходного сигнала кварцевого генератора и с помощью обработчика прерываний подсчитывать прерывания, чтобы процессор мог сохранять время. Эти периодические прерывания часто используются планировщиком задач ОС для перепланирования приоритетов запущенных процессов. Некоторые старые компьютеры генерировали периодические прерывания от частоты линии электропередачи, потому что она контролировалась коммунальными службами, чтобы исключить длительный дрейф электрических часов.
Прерывания используются для эмуляции инструкций, которые не реализованы на определенных моделях в компьютерной линии. Например, инструкции с плавающей запятой могут быть реализованы в аппаратных средствах в некоторых системах и эмулироваться в более дешевых системах. Выполнение невыполненной инструкции вызовет прерывание. Обработчик прерываний операционной системы распознает возникновение невыполненной инструкции, интерпретирует инструкцию в программной подпрограмме и затем вернется к программе прерывания, как если бы инструкция была выполнена. Это обеспечивает переносимость прикладного программного обеспечения по всей линии. [1]
Прерывание возникает по некоторому внешнему сигналу, поступающему в процессор. При этом, основная программа останавливается в совершенно произвольном месте (где ее застанет прерывание), и начинается выполнение подпрограммы-обработчика. По окончании работы обработчика, выполнение основной программы возобновляется с места останова. Это бывает очень полезно, если необходимо оперативно среагировать на какое-то внешнее событие. Например, на нажатие кнопочки, на начало передачи данных… И т.д. и т.п.
Для ленивых привожу ее здесь:
Английский знаем? Ну ладно, переведу 🙂
Так как эти команды стоят в самом начале программы, значит они как раз таки будут расположены в ПЗУ по первым 11-ти адресам. Таким образом, при каждом прерывании, будет вызываться соответствующий обработчик.
Ну а что делать с остальными прерываниями, которые не используются? Надо все равно прописать на них метки (иначе компилятор страшно выругается), но по этим меткам ничего не делать, а тут же выходить.
Кстати, чуть не забыл:
Пусть вас не смущает, что столько меток стоят на одну команду: это не страшно, так можно делать. Нельзя ставить несколько ОДИНАКОВЫХ меток…
Теперь в этой куче остается только закомментировать те прерывания, которые мы используем. В частности, в любой программе используется прерывание по сбросу (Reset). Поэтому его комментируем сразу же, а уже непосредственно текст основной программы начинаем с метки Reset.
Прерывания от внешних устройств в системе x86. Часть 1. Эволюция контроллеров прерываний
В данной статье хотелось бы рассмотреть механизмы доставки прерываний от внешних устройств в системе x86 и попытаться ответить на вопросы:
Введение
Все мы знаем, что такое прерывание. Для тех, кто нет, цитата из википедии:
Прерывание (англ. interrupt) — сигнал от программного или аппаратного обеспечения, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события, требующего немедленного внимания. Прерывание извещает процессор о наступлении высокоприоритетного события, требующего прерывания текущего кода, выполняемого процессором. Процессор отвечает приостановкой своей текущей активности, сохраняя свое состояние и выполняя функцию, называемую обработчиком прерывания (или программой обработки прерывания), которая реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код.
В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:
В данной статье хотелось бы обсудить внешние прерывания IRQ.
Зачем они нужны? Допустим мы хотим выполнить какое-либо действие со входным пакетом для сетевой карты, когда он придёт. Чтобы не спрашивать сетевую карту постоянно «есть ли у тебя новый пакет?» и не тратить на это ресурсы процессора, можно использовать прерывание IRQ. Линия прерываний устройства соединяется с линией INTR процессора, и при получении пакета сетевая карта «дергает» эту линию. Процессор понимает, что для него есть информация и читает пакет.
Но что делать если устройств много? На все внешние устройства ножек процессора не напасёшься.
Чтобы решить эту проблему, придумали микросхему — контроллер прерываний.
Первой была микросхема Intel 8259 PIC. 8 входных линий (IRQ0-7), и одна выходная, соединяющая контроллер с линией INTR процессора. Когда возникает прерывание от какого-либо устройства, 8259 дёргает линию INTR, процессор понимает, что какое-то устройство сигнализирует о прерывании и опрашивает PIC, чтобы понять по какой именно ножке IRQx возникло прерывание. Появляется дополнительная задержка на данный опрос, но зато количество линий прерываний увеличивается до 8.
Однако 8 линий быстро оказалось мало, и чтобы увеличить их количество стали использовать 2 контроллера 8259 (master и slave) соединённых каскадно (Dual PIC).
IRQ с 0 по 7 обрабатываются первым Intel 8259 PIC (master), а IRQ с 8 по 15 вторым 8259 PIC (slave). О возникновении прерывания CPU сигнализирует только master. Если возникло прерывание на линиях 8-15, второй PIC (slave) сигнализирует о прерывании мастеру по линии IRQ 2, и тот уже в свою очередь сигнализирует CPU. Это каскадное прерывание отнимает одну из 16 линий, но в итоге даёт 15 доступных прерываний для устройств.
Схема утвердилась, и именно её имеют ввиду, когда говорят сейчас о PIC (Programm Interrupt Controller). Впоследствии контроллеры 8259 получили некоторые улучшения, и стали называться 8259A, а эта схема вошла в состав чипсета. Во времена когда основной шиной для подключения внешних устройств была шина ISA, такой системы в целом хватало. Надо было лишь следить, чтобы разные устройства не подключались на одну линию IRQ для избежания конфликтов, так как прерывания ISA не разделяемые.
Обычно раскладка прерываний под устройства была более менее стандартная
Пример (взят отсюда): IRQ 0 — system timer IRQ 1 — keyboard controller IRQ 2 — cascade (прерывание от slave контроллера) IRQ 3 — serial port COM2 IRQ 4 — serial port COM1 IRQ 5 — parallel port 2 and 3 or sound card IRQ 6 — floppy controller IRQ 7 — parallel port 1 IRQ 8 — RTC timer IRQ 9 — ACPI IRQ 10 — open/SCSI/NIC IRQ 11 — open/SCSI/NIC IRQ 12 — mouse controller IRQ 13 — math co-processor IRQ 14 — ATA channel 1 IRQ 15 — ATA channel 2
Конфигурация и работа с микросхемами 8259 осуществляется через I/O порты:
Чип
Регистр
I/O port
Master PIC
Command
0x0020
Master PIC
Data
0x0021
Slave PIC
Command
0x00A0
Slave PIC
Data
0x00A1
→Документацию на 8259A можно найти тут
На смену шине ISA пришла шина PCI. И количество устройств явно стало превосходить число 15, плюс в отличие от статической шины ISA в данном случае случае устройства могут добавляться в систему динамически. Но к счастью в данной шине прерывания могут быть разделяемыми (то есть к одной линии IRQ можно подсоединить несколько устройств). В итоге чтобы решить проблему нехватки линий IRQ, прерывания ото всех PCI устройств решили группировать в линии PIRQ (Programmable Interrupt Request).
Допустим у нас 4 линии прерываний свободно на PIC контроллере, а PCI устройств 20 штук. Мы объединяем прерывания по 5 устройств на линию PIRQx и подключаем линии PIRQx к контроллеру. При возникновении прерывания на линии PIRQx процессору придётся опросить все устройства подключённые к данной линии, чтобы понять от кого именно пришло прерывание, но в целом это решает задачу. Устройство осуществляющее связывание линий прерываний PCI в линии PIRQ часто называют PIR router.
В данном методе надо следить, чтобы линии PIRQx не подсоединялись к линиям IRQx на которых уже заведены прерывания ISA (так как это вызовет конфликты), и чтобы линии PIRQx были сбалансированы (ведь чем больше устройств мы подключили к одной линии PIRQ, тем больше устройств надо будет опрашивать процессору, чтобы понять, какое именно из этих устройств вызвало прерывание).
По сути функции это отдельные логические блоки. Например в одном PCI устройстве может быть функция Smbus controller, функция SATA controller, функция LPC bridge. Со стороны ОС каждая функция — это как отдельное устройство со своим конфигурационным пространством PCI Config.
Предыдущий метод работал пока не появились многопроцессорные системы. Дело в том, что по своему устройству PIC может передавать прерывания только на один главный процессор. А хотелось бы, чтобы нагрузка на процессоры от обработки прерываний была сбалансированной. Решением данной задачи стал новый интерфейс APIC (Advanced PIC).
Для каждого процессора добавляется специальный контроллер LAPIC (Local APIC) и для маршрутизации прерываний от устройств добавляется контроллер I/O APIC. Все эти контроллеры объединяются в общую шину с названием APIC (новые системы сейчас уже соединяются по стандартной системной шине).
Когда прерывание от устройства приходит на вывод I/O APIC, контроллер направляет прерывание в LAPIC одного из процессоров. Наличие I/O APIC позволяет сбалансировано распределять прерывания от внешних устройств между процессорами.
Первой микросхемой APIC был 82489DX, это был отдельный чип, соединяющий в себе LAPIC и I/O APIC. Для создания системы из 2 процессоров нужно было 3 таких микросхемы. 2 функционировали бы как LAPIC и одна как I/O APIC. Позднее функциональность LAPIC была напрямую включена в процессоры, а функциональность I/O APIC была оформлена в чип 82093AA.
I/O APIC 82093AA содержала 24 входных вывода, а архитектура APIC могла поддерживать до 16 CPU. Для поддержки совместимости со старыми системами, прерывания 0
15 отвели под старые прерывания ISA. А прерывания от PCI устройств стали выводить на линии IRQ 16-23. Теперь можно было не задумываться о конфликтах прерываний от ISA и PCI устройств. Также благодаря увеличенному количеству свободных линий прерываний возможно стало также увеличить количество линий PIRQx.
Программирование I/O APIC и LAPIC осуществляется через MMIO. Регистры LAPIC расположены обычно по адресу 0xFEE00000, регистры I/O APIC по адресу 0xFEС00000. Хотя в принципе все эти адреса возможно переконфигурировать.
Как и в случае с PIC первоначально отдельные микросхемы позже вошли в состав чипсета.
В дальнейшем архитектура APIC получила модернизацию и новый вариант получил название xAPIC (x — extended). Сохранена обратная совместимость с предыдущим вариантом. Количество возможных CPU в системе увеличилось до 256.
Следующий виток развития архитектуры получил название x2APIC. Количество возможных CPU в системе увеличилось до 2^32. Контроллеры могут работать в режиме совместимости с xAPIC, а могут в новом режиме x2APIC, где программирование LAPIC осуществляется не через MMIO, а через MSR регистры (что гораздо быстрее). Cудя по этой ссылке для работы этого режима необходима поддержка IOMMU.
Следует заметить, что в системе может быть несколько контроллеров I/O APIC. Например один на 24 прерывания в южном мосту, другой на 32 в северном. В контексте I/O APIC прерывания часто обозначаются GSI (Global System Interrupt). Так вот в такой системе будут GSI 0-55.
Предыдущий вариант с APIC хорош, но не лишён недостатков. Все эти линии прерываний от устройств усложняют схему, и увеличивают вероятности ошибок. На смену шины PCI пришёл PCI express, в котором линии прерываний решили просто-напросто убрать. Чтобы сохранить совместимость, сигналы о возникновении прерываний (INTx#) эмулируются отдельными видами сообщений. В этой схеме логическое сложение линий прерываний, которое раньше производилось физическим соединением проводов, легло на плечи PCI мостов. Однако поддержка legacy INTx прерываний — это лишь поддержка обратной совместимости с шиной PCI. На деле PCI express предложил новый метод доставки сообщений о прерываниях — MSI (Message Signaled Interrupts). В этом методе для сигнализации о прерывании устройство просто производит запись в MMIO область отведённую под LAPIC процессора.
Если раньше на одно PCI устройство (то есть на все его функции) выделялось всего 4 прерывания, то сейчас сейчас стало возможным адресовать до 32 прерываний.
В случае с MSI нет никакого sharing для линий, каждое прерывание соответствует своему устройству.
Прерывания MSI решают также ещё одну проблему. Допустим устройство проводит memory-write транзакцию, и хочет сообщить о её завершении через прерывание. Но write транзакция может быть задержана на шине в процессе передачи (о чём устройство никак не знает), и сигнал о прерывании придёт до процессора раньше. Таким образом CPU будет читать ещё невалидные данные. В случае если используется MSI, информация об MSI передаётся также как и данные, и раньше прийти просто не сможет.
Следует заметить, что прерывания MSI не могут работать без LAPIC, но использование MSI может заменить нам I/O APIC (упрощение дизайна).
В последствии данный метод получил расширение MSI-X. Теперь каждое устройство может иметь до 2048 прерываний. И стало возможным указывать индивидуально каждому прерыванию на каком процессоре оно должно выполняться. Это может быть очень полезно для высоконагруженных устройств, например сетевых карт.
Для поддержки MSI не требуется никаких дополнительных таблиц BIOS. Но устройство должно сообщить о поддержке MSI в одной из Capability в своём PCI Config, а драйвер устройства должен поддерживать работу с MSI.
Заключение
В данной статье мы рассмотрели эволюцию контроллеров прерываний, и получили общую теоретическую информацию о доставке прерываний от внешних устройств в x86 системе.
В следующей части мы посмотрим как на практике задействовать в Linux каждый из описанных контроллеров.
Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i 80 x 86.
Работа системы прерываний в реальном режиме
1. Понятие прерывания
2. Классификация прерываний
3. Система прерываний.
· Программные средства системы прерываний
· Таблица векторов прерываний
4. Обработка прерывания в реальном режиме
Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы.
Т.е. это процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возвратом к прерванной программе.
Нажимая клавишу на клавиатуре, мы инициируем немедленный вызов программы, которая распознает клавишу, заносит ее код в буфер клавиатуры, из которого он считывается другой программой. Т.е. на некоторое время микропроцессор прерывает выполнение текущей программы и переключается на программу обработки прерывания, так наз. обработчик прерывания. После того, как обработчик прерывания завершит свою работу, прерванная программа продолжит выполнение с точки, где было приостановлено ее выполнение.
Адрес программы-обработчика прерывания вычисляется по таблице векторов прерываний.
Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне.
В зависимости от источника, прерывания делятся на
Общая классификация прерываний
Внешние прерывания возникают по сигналу какого-нибудь внешнего устройства.
Внешние прерывания подразделяются на немаскируемые и маскируемые.
Маскируемые прерывания генерируются контроллером прерываний по заявке определенных периферийных устройств. Контроллер прерываний (выполнен в виде специальной микросхемы i8259A) поддерживает восемь уровней (линий) приоритета; к каждому уровню “привязано” одно периферийное устройство. Именно маскируемые прерывания часто называют аппаратными прерываниями.
В ПК, начиная с IBM PC AT, построенных на базе микропроцессора i80286, используются два контроллера прерываний i8259A; они соединяются последовательно каскадным образом, что увеличивает количество внешних источников прерываний до 15 (каждая по 8).
Немаскируемые прерывания (говорят, что оно одно, т.к. подается на вывод микропроцессора NMI ) инициируют источники, требующие безотлагательного вмешательства со стороны микропроцессора.
В реальном и защищенном режиме работы микропроцессора обработка прерываний осуществляется принципиально разными методами.
Система прерываний. Аппаратные и программные средства системы прерываний
К аппаратным средствам системы прерываний относятся:
· программируемый контроллер прерываний 8259А (предназначен для фиксирования сигналов прерываний от восьми различных внешних устройств; он выполнен в виде микросхемы; обычно используют две последовательно соединенные микросхемы, поэтому кол-во возможных источников внешних прерываний до 15 плюс одно немаскируемое прер.; именно он формирует номер вектора прерывания и выдает его шину данных);
· внешние устройства (таймер, клавиатура, магнитные диски и т.п.)
К программным средствам системы прерываний Реального режима относятся:
Таблица векторов прерываний инициализируется при запуске системы, но в принципе может быть изменена и перемещена.
Каждый вектор имеет свой номер и называется номером прерывания.
· два флага в регистре флагов flags/eflags :
Обработка прерывания в реальном режиме
производится в три этапа:
1) прекращение выполнения текущей программы;
Должно произойти так, чтобы потом вернуться и продолжить работу. Для этого необходимо сохранить содержимое регистров, так как они являются ресурсами, разделяемыми между программами.
Наиболее удобным местом хранения регистров является стек.
2) переход к выполнению и выполнение программы обработки прерывания;
Здесь определяется источник прерывания и вызывается соответствующий обработчик прерывания.
смещение эл-та таблицы векторов прерываний = N * 4
Итак на втором этапе микропроцессор
1. По номеру источника прерывания определяет смещение в таблице векторов прерываний
2. Помещает первые два байта в регистр IP
3. Помещает вторые два байта в регистр CS
4. Передыет управление по адресу CS:IP
Далее выполняется сама программа обработки прерывания.
(Она тоже может быть прервана поступлением запроса от более приоритетного источника. Все источники прерывания имеют приоритеты.)
