Для чего нужны прерывания

Для чего нужны прерывания

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.)

3) возврат управления прерванной программе.

Источник

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]

Источник

Для чего нужны прерывания

Назначение: 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.

Аппаратные прерывания используются для организации взаимодействия с внешними устройствами:

· маскируемые, которые могут быть замаскированы программными средствами компьютера;

· немаскируемые, запрос от которых таким образом замаскирован быть не может.

Программные прерывания вызываются следующими ситуациями:

· (переполнение, нарушение защиты памяти, отсутствие нужной страницы в оперативной памяти и т.п.);

· специальной команды прерывания INT n, используемой обычно программистом при обращениях к специальным функциям операционной системы для ввода-вывода информации.

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;

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

7. продолжение выполнения прерванной программы.

Источник

Прерывания

Прерывания – это специальный механизм, позволяющий остановить выполнение основной программы и переключить процессор на выполнение другой задачи по определенному внешнему или внутреннему событию. Фактически прерывания являются обыкновенными подпрограммами, которые в тот или иной момент времени микропроцессор может вызывать аппаратно. Такие подпрограммы принято называть обработчиками прерываний.

В большинстве случаев прерывания позволяют очень сильно разгрузить ЦПУ от той работы, которую самостоятельно могут выполнять отдельные его модули. Например, любой таймер-счетчик, отсчитав необходимое число тактов генератора, может сгенерировать прерывание и вызвать подпрограмму, в которой будет находиться код для отчета различных временных интервалов. Точно таким же образом при наступлении определенного события (отсылка или прием слова данных, изменение состояния на линии и мн. др.) способны оповещать процессор модули USART, SPI, TWI, ADC и т.д. Различные модели AVR могут содержать от 4 до 56 таких источников прерываний.

Табл.5. Таблица векторов прерываний:

Номер

Адрес в памяти программ

Бит разрешение прерывания

Флаг прерывания

Описание события

Внешнее прерывание 0

Внешнее прерывание 1

Cовпадение TCNT2 и OCR2

Совпадение TCNT1 и OCR1A

Совпадение TCNT1 и OCR1B

Прерывание от модуля SPI

Получение байта по USART

Опустошение UDR в USART

Передача байта по USART

Завершение записи в EEPROM

Прерывание от компаратора

Прерывание от модуля TWI

Завершение выполнения spm

За каждым обработчиком прерывания жестко закреплен определенный адрес (вектор прерывания) в начале памяти программ. Положения векторов прерываний для ATmega8 сведены табл.5. Обычно по адресу вектора прерывания находится инструкция перехода, которая передает управление подпрограмме обработчика:

В моделях AVR с объемом FLASH ≤8 кбайт, для векторов отводится по 1 слову памяти программ, как раз для инструкций rjmp. Во всех остальных микроконтроллерах каждый вектор прерывания занимает уже 2 слова, а в качестве инструкции перехода используются jmp.

Управление прерываниями производится индивидуально. За разрешение каждого из них отвечают специальные разряды соответствующих РВВ, а о наступлении события микроконтроллер может судить по состоянию флагов прерывания (см. табл.5). Например, если прерывание по переполнению таймера-счетчика 2 разрешено (установлен бит TOIE2 из TIMSK), то при изменении содержимого счетного регистра TCNT2 c 0xFF на 0x00 в регистре TIFR аппаратно будет установлен флаг прерывания TOV2 и микроконтроллер вызовет подпрограмму по адресу 0x0004.

За общее управление прерываний у AVR отвечает флаг I из регистра SREG. При I=0 все прерывания, независимо от состояния битов разрешения, запрещены.

При вызове обработчика прерывания адрес текущей команды в основной программе копируется в стек, как и при обычном вызове подпрограммы. Но вместе с этим микроконтроллер аппаратно сбрасывает на нуль флаг I и флаг, который явился источником прерывания. Обработчик должен заканчиваться командой возврата из прерывания reti. После ее выполнения адрес возврата восстанавливается в PC и при этом одновременно устанавливается флаг I.

Ниже рассмотрен пример использования обработчика внешнего прерывания INT0.

Инструкция перехода, размещенная по нулевому адресу (вектор сброса у всех моделей AVR), передает управление на начало основной программы main, где и происходит инициализация микроконтроллера. В качестве условия возникновения прерывания выбрано изменение состояния вывода INT0 с уровня лог.1 на лог.0 (момент нажатия кнопки). При возникновении указанного события произойдет вызов подпрограммы по адресу 0x0001 (вектор прерывания INT0) и, далее, обработчика service_INT0. В обработчике нужно сохранить содержимое SREG и, если это необходимо, остальных регистров, которые используются в контексте основной программы.

Возможна такая ситуация, что в процессе работы одновременно возникнут сразу несколько запросов на прерывания (одновременно будут установлены несколько флагов прерывания). В этом случае первым будет вызван тот обработчик, чей адрес в таблице векторов прерывания находится выше. Например, при возникновении запросов от АЦП (адрес 0x000E) и компаратора (адрес 0x0010), первым будет обработан запрос от АЦП. Таким образом, каждое прерывание у AVR имеет свой собственный неизменный приоритет, который зависит от его местоположением в таблице векторов.

Здесь возможны две проблемы. Во-первых, обработка отдельных прерываний может быть достаточно длительной процедурой и другие запросы окажутся отложенными на недопустимо большой срок. А во-вторых, прерывание с низким приоритетом может иметь намного большее значение для данного устройства. В обоих случаях можно выйти из положения, если допустить в программе вложенные прерывания. Для этого после сохранения контекста в обработчике прерывания нужно вручную установить флаг I командой sei:

Вложенные прерывания могут оказаться недопустимыми при малом размере стека.

Перейти к следующей части: Порты ввода-вывода

Источник

Аппаратные прерывания

Забавную картинку к этому уроку я найти не смог, нашёл только какую-то лекцию по программированию, и вот самое начало этой лекции отлично объясняет нам, что такое прерывание. Прерывание в Ардуино можно описать абсолютно точно так же: микроконтроллер “всё бросает”, переключается на выполнение блока функций в обработчике прерывания, выполняет их, а затем возвращается ровно к тому месту основного кода, в котором остановился.

Прерывания бывают разные, то есть не сами прерывания, а их причины: прерывание может вызвать аналогово-цифровой преобразователь, таймер-счётчик или буквально пин микроконтроллера. Такие прерывания называются внешними аппаратными, и именно о них мы сегодня поговорим. External hardware interrupt – это прерывание, вызванное изменением напряжения на пине микроконтроллера. Основная суть состоит в том, что микроконтроллер (системное ядро) не занимается опросом пина и не тратит на это время. Как только напряжение на пине изменяется (имеется в виду цифровой сигнал, +5 подали/+5 убрали) – микроконтроллер получает сигнал, бросает все дела, обрабатывает прерывание, и возвращается к работе. Зачем это нужно? Чаще всего прерывания используются для детектирования коротких событий – импульсов, или даже для подсчёта их количества, не нагружая основной код. Аппаратное прерывание может поймать короткое нажатие кнопки или срабатывание датчика во время сложных долгих вычислений или задержек в коде, т.е. грубо говоря – пин опрашивается параллельно основному коду. Также прерывания могут будить микроконтроллер из режимов энергосбережения, когда вообще практически вся периферия отключена. Посмотрим, как работать с аппаратными прерываниями в среде Arduino IDE.

Прерывания в Arduino

В этом уроке речь пойдёт об обычных прерываниях, которые называются INT, потому что стандартный фреймворк Ардуино умеет работать только с ними. Таких прерываний и соответствующих им пинов очень мало (таблица ниже), но у самого микроконтроллера есть возможность получать прерывания с любого пина, такие прерывания называются PCINT и работать с ними можно только при помощи сторонних библиотек (вот отличная), либо вручную (читай у меня вот тут). В этом уроке мы рассмотрим базовые возможности и INT прерывания:

Ловим событие

Если прерывание отлавливает какое-то событие, которое необязательно обрабатывать сразу, то лучше использовать следующий алгоритм работы с прерыванием:

Следующий возможный сценарий: нам надо поймать сигнал с “датчика” и сразу на него отреагировать однократно до появления следующего сигнала. Если датчик – кнопка, нас поджидает дребезг контактов. С дребезгом лучше бороться аппаратно, но можно решить проблему программно: запомнить время нажатия и игнорировать последующие срабатывания. Рассмотрим пример, в котором прерывание будет настроено на изменение ( CHANGE ).

Вы скажете: но ведь millis() Не меняет значение в прерывании! Да, не меняет, но он меняется между прерываниями! Это в принципе всё, что нужно знать о прерываниях, более конкретные случаи мы разберём в продвинутых уроках.

Видео

Источник