6.5. Прерывания

Мы в предыдущих примерах часто использовали команду INT и говорили, что она вызывает обработчик прерывания. Настала пора узнать, что конкретно делает команда INT, и что такое прерывания и их обработчики.

Представьте себе такую ситуацию. Домработница убирает квартиру, и в это время раздается звонок телефона, одновременно стук в дверь и начинает "свистеть" закипевший чайник на кухне. Домработнице надо решить, что сделать в первую очередь: открыть дверь, выключить чайник или ответить на звонок. Она может, например, совсем не ответить на телефонный звонок, потому что вы ей приказали не отвечать на телефонные звонки.

Эта ситуация является прямой аналогией работы процессора. Во время выполнения программы процессор, так же как и домработницу, постоянно отвлекают различные события (от внешних устройств или программ), требующие его реакции. Временное прекращение обработки программы процессором для выполнения затребованных действий называют прерыванием. Прерывания делят на аппаратные и программные.

Аппаратные прерывания возникают в результате подачи сигнала от какого-либо устройства компьютера (клавиатура, системный таймер, жесткий диск и т. д.). Так как аппаратные прерывания возникают в случайные моменты времени, то их иногда называют еще асинхронными.

Программные прерывания вызываются искусственно с помощью команды INT или ее аналогов (int3, into). Эти прерывания являются синхронными.

6.5.1. Внутренние и внешние аппаратные прерывания

Аппаратные прерывания делятся на внутренние и внешние.

Внутренние аппаратные прерывания возникают внутри самого процессора, а для приема внешних у процессора есть два физических контакта NMI (NonMaskable Interrupt — немаскируемые прерывания) и INTR (INTerrupt Request — запрос прерывания) (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Подсистема прерываний компьютера на базе процессора Intel

В зависимости от двух входов процессора внешние аппаратные прерывания делятся на маскируемые и немаскируемые.

Маскируемые прерывания — это те, которые можно запретить, т. е. программист в своей программе может указать процессору, что прерывания этого типа обслуживать не нужно. Маскируемые прерывания поступают на вход INTR процессора и связаны с нормальной работой устройств.

Немаскируемые прерывания запретить нельзя, они должны быть обслужены процессором сразу. Немаскируемые прерывания возникают в результате чрезвычайной ситуации в работе компьютера, например, сбоя в памяти или временном понижении напряжения. Немаскируемые прерывания поступают на вход NMI процессора.

Внутренние аппаратные прерывания называют еще исключениями. Они возбуждаются внутренними схемами самого процессора при возникновении одной из специально оговоренных ситуаций, например, при выполнении операции деления на ноль или при попытке выполнить несуществующую команду.

При возникновении прерывания (аппаратного или программного) процессор прекращает выполнение обрабатываемой программы и переключается на процедуру обработки прерывания. После того как данная процедура выполнит необходимые действия, прерванная программа продолжит выполнение с того места, где было приостановлено ее выполнение.

Перед тем как вызывать процедуру обработки прерывания процессор автоматически сохраняет в стеке регистры CS, IP и FLAGS\EFLAGS, чтобы прерванная программа после обработки прерывания смогла безболезненно продолжить свое выполнение. Регистры CS:IP содержат адрес команды, с которой необходимо начать выполнение после возврата из процедуры обработки прерывания, а FLAGS\EFLAGS — состояние флагов до момента передачи управления процедуре обработке прерывания. Если

необходимо сохранение других регистров до вызова обработчика прерываний, программист это должен обеспечивать сам в своей программе.

Помните, ранее отмечалось, что если exe-программа не использует стек, то его необходимо все равно задать. Теперь должно быть понятно, что стек используется при прерываниях, которые происходят при выполнении программы.

Разумеется, на разное прерывание нужно реагировать по-разному, т. е. для каждого типа прерывания должна быть своя процедура обработки прерывания.

В реальном режиме процессора допускается всего 256 источников прерываний, они нумеруются от 0 до 255. Для каждого прерывания существует уже готовая процедура обработки, и все эти процедуры включены в состав MS-DOS. Адреса этих процедур размещены в так называемой таблице векторов прерываний, соответственно вектором прерывания называют адрес процедуры обработки прерывания. Таблица векторов прерываний размещается в первом килобайте оперативной памяти и занимает адреса от 00000h до 00400h. Каждый адрес в таблице занимает двойное слово (4 байта): 1-е слово — это номер сегмента памяти, в котором находится соответствующая процедура обработки прерывания, а 2-е слово — смещение внутри этого сегмента. Прерыванию с номером 0 соответствует адрес 0000:0000, прерыванию с номером 1 – 0000:0004 и т. д.

Таким образом, смещение по которому находится вектор с номером N в таблице векторов прерываний, определяется как 4*N, а полный размер таблицы векторов прерываний составляет 4*256=1024 байт (1 Кбайт).

Как используется вектора и таблица векторов прерываний? Когда возникает прерывание, процессор по номеру источника прерывания путем умножения на 4 определяет смещение в таблице векторов прерываний. Затем сохраняет в стеке регистры CS, IP и FLAGS\EFLAGS, о чем мы говорили выше, и помещает первое слово вектора в регистр ip, а второе слово в регистр CS, и передает управление по адресу CS:IP, — так передается управление на процедуру обработки прерывания. Процедура обработки прерывания во время своего выполнения также может быть прервана, например, поступлением запроса от более приоритетного прерывания.

Когда процедура обработки прерывания закончит свою работу, она должна возобновить работу прерванной программы. Для этого ей надо восстановить из стека сохраненные там ранее значения IP, CS и FLAGS\EFLAGS. Делается это с помощью команды IRET, которая не имеет операндов. Команда IRET так и называется "возврат из обработчика прерываний", она самостоятельно загружает из стека значения IP, CS и FLAGS. Поэтому командой IRET все процедуры обработки прерываний завершают свою работу.

После возвращения из обработчика прерывания прерванная программа продолжит свою работу так, как будто и не было никакого прерывания.

Маскируемые прерывания делятся по уровням приоритетов. При одновременном поступлении нескольких запросов на прерывание, всегда обрабатывается прерывание с максимальным приоритетом. Если во время обработки прерывания приходит еще один запрос на прерывание с меньшим приоритетом, то он становится в очередь, а если с большим, то текущее прерывание само прерывается и ожидает, пока не будет обработано прерывание с более высоким уровнем приоритета.

Уровни приоритетов обозначаются сокращенно IRQ0-IRQ15. Аббревиатура IRQ происходит от английских слов Interrupt Request — запрос на прерывание. Самый высокий приоритет у IRQ 0, а самый низкий у IRQ 15. Физически, IRQ представляют собой отдельно проложенные линии (проводники) на материнской плате и соответствующие этим линиям контакты в интерфейсах устройств. Линии IRQ предназначены только для передачи запросов прерывания.

В табл. 6.2 приведены все аппаратные прерывания, расположенные в порядке убывания приоритета.

Таблица 6.2. Аппаратные прерывания, расположенные в порядке убывания приоритета

Вы можете посмотреть прерывания своего компьютера. Выберите "Пуск – Выполнить", наберите "msinfo32". В появившимся окне "Сведения о системе", слева, выберите вкладку "Ресурсы аппаратуры – Прерывания IRQ". В современных компьютерах количество IRQ может быть больше 15.

Программист может в своей программе запретить (замаскировать) обработку всех или любого сочетания маскируемых прерываний, кроме того, программист может заменить обработчик прерывания на свой. Далее рассказано, как выполнить все эти действия.

6.5.2. Запрет всех маскируемых прерываний

Для запрета всех маскируемых прерываний в процессоре имеется инструкция CLI. На самом деле эта инструкция просто сбрасывает флаг IF в 0.

В процессоре также имеется команд STI, которая устанавливает флаг IF в 1, тем самым, отменяя действие команды CLI.

6.5.3. Запрет определенного маскируемого прерывания

Как ведущий, так и ведомый контроллеры i8259 содержат специальный внутренний регистр маски прерываний IMR.

Для того чтобы запретить определенное прерывание, необходимо соответствующий бит в регистре IMR установить в 1. Номера разрядов регистра IMR соответствуют номерам линий сигналов прерывания, например IRQ0 и IRQ8 соответствует самый младший разряд в регистре IMR, а IRQ7 и IRQ15 — самый старший.