3.5. Система прерываний

Понятие прерывания центрального процессора. В тех случаях, когда в МС существует дефицит времени ЦП, а периферийные устройства работают медленно, используется их обслуживание по прерываниям. Например, алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ) обеспечивает печать символа с номинальной скоростью 100 знаков в секунду или 1 знак за 10 мс. Если предположить, что цикл обращения к памяти составляет 2 мкс, то для вывода одного знака ЦП потребуется около 0,1 мс (см. процедуру РАО ИРПР-адаптера). Следовательно, из 10 мс (интервал вывода одного знака) 9,9 мс ЦП простаивает, ожидая готовности АЦПУ к приему нового знака.

Эффективность МС может быть существенно повышена, если отказаться от малопроизводительного ожидания готовности на программном уровне и передать функцию специальным аппаратным средствам. В это время ЦП может выполнять некоторую полезную работу, связанную с обработкой данных или обслуживанием других ПУ.

При готовности приступить к очередной операции ВВ устройство посылает в ЦП запрос на прерывание, по получении которого он временно приостанавливает выполнение текущей программы и переходит на обслуживание ПУ. После этого ЦП возвращается к прерванной программе, продолжая ее с момента приостанова. Обслуживание прерываний осуществляется в незаметном для основной программы режиме, поэтому их наличие прямо не влияет на работу последней, за исключением времени ее исполнения. Следует отметить, что обслуживание прерываний приводит к изменению общего состояния МС, что в дальнейшем может сказаться и на поведении основной программы, однако такое воздействие прерываний не будет прямым.

Обслуживание ВВ по прерываниям (рис. 3.36) является альтернативой программно-управляемому обмену (см. рис. 3.4). Если при чисто программном управлении как начало процедуры, так и непосредственное ее исполнение находятся под управлением программы, то обслуживание по прерываниям инициируется аппаратными средствами. Совокупность этих средств, команд и программ их обслуживания называется системой прерываний. Прежде чем обслуживание ПУ по прерываниям будет начато, система прерываний должна быть настроена на это. Функция запуска МС возлагается на специальную процедуру инициализации обслуживания. После окончания работы с ПУ также может потребоваться специальная процедура, которая завершит эту работу.

Рис. 3.36. Обслуживание ввода-вывода по прерываниям

Для того чтобы прерванная программа могла быть продолжена после обслуживания очередного запроса на прерывание с того места, на котором она была приостановлена, состояние ЦП должно быть восстановлено. Сохранность состояний сигналов управления в аппаратуре обеспечивается тем, что переход к обработке прерывания и возврат к прерванной программе осуществляется в строго определенные моменты времени, когда состояния этих сигналов однозначны и известны, т. е. в конце очередного командного цикла перед фазой выборки последующего. Состояние программно-доступных регистров может быть сохранено в памяти МС, а затем восстановлено непосредственно перед возвратом в прерванную программу. Этот процесс называется контекстным переключением и выполняется как программными, так и аппаратными средствами.

Организация радиальной системы прерываний. Физический интерфейс наиболее простой системы прерываний может быть представлен единственной линией IRQ (Interrupt Request), высокий уровень напряжения на которой воспринимается как запрос на прерывание. Для программиста такая система прерываний представляется в виде отдельной точки входа в процедуру обслуживания. Всякий раз, когда ЦП воспринимает запрос на прерывание, он активизирует процедуру обслуживания, передавая ее стартовый адрес в PC. Чтобы не потерялось старое содержимое PC, которое является адресом возврата в прерванную программу, оно должно быть автоматически где-то сохранено. Лучше всего для этой цели использовать системный стек, тогда возврат к прерванной программе будет заключаться в передаче управления по адресу на вершине стека. В этом же стеке может храниться и текущий контекст ЦП. При этом контекстные переключения выполняются с помощью обычных команд типа PUSH и POP.

Процесс обработки запроса на прерывание во многом подобен процессам вызова и возврата из подпрограмм. Однако в первом случае вызов осуществляется командой CALL, которая сформирована и подставлена в общую командную последовательность с помощью аппаратуры системы прерываний, во втором случае команда CALL действительно присутствует в последовательности инструкций. По этой причине запросы на прерывания часто называют аппаратными вызовами подпрограмм.

Для увеличения числа одновременно обслуживаемых источников прерываний в систему вводится несколько линий с фиксированными стартовыми адресами подпрограмм обслуживания. Примером такой системы, получившей название радиальной, служит подсистема ВМ85А, организованная четырьмя входами: TRAP, RST 7.5, RST 6.5, RST 5.5 (см. табл. 2.7).

Обычно часть радиальных линий резервируется для приема внутренних прерываний ЦП, отражающих его критические состояния и требующих немедленного обслуживания. Остальные отводятся для приема внешних (по отношению к ЦП) запросов. В приведенном примере все четыре линии являются внешними.

Введенный при рассмотрении радиального запроса динамический вход IRQ (рис. 3.37, а) имеет низкую помехоустойчивость, так как любая помеха на линии может вызвать прерывание. Повышение помехоустойчивости связано с введением линий статического типа (рис. 3.37, б), от которых запрос на прерывание воспринимается исключительно по уровню. Однако в этом случае возникает проблема блокировки запроса с момента его подтверждения (иначе возможен повторный захват уже принятого к обслуживанию запроса), которая решается с помощью триггера блокировки IS (In Service), устанавливаемого при подтверждении прерывания. Сброс триггера выполняется программными средствами с помощью операции EOI (End of Interrupt) после снятия принятого к обслуживанию запроса. Существует также комбинированный тип входа, когда после фиксации запроса по перепаду требуется его подтверждение уровнем напряжения (рис. 3.37, в). Все типы входов находят самое широкое применение в практических системах прерываний. Так, в радиальной системе 8085А линия RST 7.5 является входом динамического типа, RST 6.5 и RST 5.5—статического, TRAP—комбинированного.

Рис. 3.37. Типы входов для приема запросов на прерывания:

а—динамический; б—статический; в—комбинированный

Практически во всех системах прерываний предусмотрен дополнительный механизм программно-управляемой блокировки запросов, который реализуется с помощью набора флажков, разрешающих или запрещающих восприятие запросов на прерывания. Эти флажки либо входят в состав PSW, либо упаковываются в отдельный регистр маски. Следует отметить, что маска не влияет на фиксацию запроса по динамическому входу триггером IR (Interrupt Request), однако дальнейшее его прохождение блокируется. В случае статической линии роль маски может выполнять триггер IS, например вход INT, и триггер INTE в МП ВМ80.

Контекстные переключения, выполняемые командами PUSH и POP, могут занимать значительное время. Для его сокращения вводятся специальные команды PUSHA и РОРА (МП типов 80186 и 80286), которые сохраняют в стеке и восстанавливают сразу весь (А-А11) набор регистров МП. Аналогично расширяют и функцию командной пары CALL, RET, преобразуя ее к новой взаимно согласованной паре TRAP, RTI (МП типа К1801ВМ1) или INT, IRET (МП типов К1810ВМ86/ВМ88, 80186, 80286), которая одновременно с PC сохраняет или восстанавливает PSW а в некоторых случаях и другие регистры МП. Еще один механизм сохранения контекста связан с переключением регистровых наборов, как это выполнено в МП Z80 и однокристальных МК серии К1816.

В зависимости от числа подтвержденных запросов, одновременно находящихся на обслуживании, различают одно- и многоуровневые системы прерываний. В одноуровневой системе в каждый момент времени допускается лишь один подтвержденный запрос. Обработка всех других запросов откладывается до окончания текущего обслуживания. Блокировка запросов в одноуровневой системе осуществляется общим для всех триггером IS, фиксирующим факт обслуживания прерывания. Триггер устанавливается любым сигналом подтверждения прерывания INTA и сбрасывается командой окончания прерывания EOI. Примером одноуровневой системы с двумя источниками запросов служит система прерываний однокристального МК К1816ВЕ048.

Если несколько устройств одновременно запросили обслуживание, система прерываний выбирает одно из них. Выбор осуществляется на основании приоритета каждого из запросов, который отражает важность и срочность его обслуживания. При расстановке приоритетов учитываются: частота обслуживания запроса, длительность процесса обслуживания, последствия задержки обслуживания и др.

Рассматривая организацию приоритетов, следует выделить систему с фиксированными линейно упорядоченными приоритетами, которая является наиболее практичной и естественной.

Повышение гибкости системы приоритетов связано с их динамическим изменением по заданному алгоритму или при программировании. Однако в каждый отдельный момент времени все приоритеты строго упорядочены, что обеспечивает однозначный выбор одного из них.

Широко применяемой системой динамически изменяемых приоритетов является циклическая. В ней после каждого очередного обслуживания запроса происходит циклический сдвиг приоритетов с присвоением нижнего только что обработанному. Такая схема приводит к равномерному распределению «внимания» ЦП между всем множеством запросов и может быть использована при обслуживании группы одинаковых устройств, когда выделение какого-либо из них нежелательно.

Многоуровневая система разрешает многократные (по числу уровней) прерывания одних процедур обслуживания другими. Для этого каждому уровню ставится в соответствие некоторое подмножество запросов из их общего числа и строго упорядоченный приоритет. Процедуры обслуживания некоторого уровня могут быть прерваны лишь запросами более высокого уровня. Фоновую работу ЦП, связанную с самым нижним приоритетом, может прервать любой запрос.

Для работы многоуровневой системы прерываний необходимо знать приоритет текущей процедуры, который соответствует приоритету процессора. Приоритеты запросов сравниваются с приоритетом процессора и, если последний выше, прерывают его работу. При подтверждении прерывания приоритет процессора повышается, принимая значение, равное приоритету запроса. Для разрешения конфликта внутри группы запросов одного уровня существует вторичная система приоритетов.

Примером МС с двухуровневой системой прерываний и пятью источниками запросов служит однокристальный МК К1816ВЕ51. В нем всем источникам программным методом назначается первый или второй уровень. Текущий приоритет процессора отображается с помощью двух IS-триггеров. Вторичная система приоритетов имеет фиксированную структуру и охватывает все пять источников.

Примером 8-уровневой системы прерываний с восемью источниками запросов является двухкристальная пара ВМ80+ВН59, запрограммированная для работы в режиме строгого вложения приоритетов. Здесь каждому уровню соответствует единственный источник запросов, поэтому необходимость во вторичных приоритетах отпадает. Для отображения приоритета процессора используется 8-разрядный регистр IS БИС КР580ВН59.

Расширение радиальной системы прерываний методом поллинга. Каждая внешняя радиальная линия IRQ с фиксированным вектором прерывания может быть превращена в магистраль, которая по схеме «монтажное ИЛИ» объединяет запросы от нескольких источников прерываний. Однако в этом случае после принятия общего запроса к обслуживанию возникает задача идентификации источника, выставившего запрос, и передачи управления на соответствующую процедуру обслуживания, которая решается только программными методами с помощью специальной процедуры POLL, называемой поллингом.

Функция поллинга состоит в последовательном опросе состояния всех устройств, связанных с данной линией запросов (рис. 3.38), и выявлении готового к обслуживанию. При опросе используются стандартные подпрограммы проверки готовности, которые входят в драйверы устройств:

POLL: —

—

CALL STATUS ;Проверка готовности

JNZ SERVICE ;и переход, если готов

Рис. 3.38. Организация обслуживания по полингу

Конкретный вид процедур проверки готовности STATUS и обслуживания SERVICE зависит от типа ПУ. В подпрограмме предполагается, что признак готовности возвращается через флажок нулевого результата Z. Простейший вид подпрограммы для портов условного ВВ следующий:

STATUS: IN SW ;Ввод слова состояния

ANI RDY ;Выделение флажка готовности

RET

Опрашиваемый подпрограммой STATUS флажок готовности RDY обычно является и флажком потенциального запроса на прерывание IRQ. После обслуживания устройства (операция ВВ для портов) флажок RDY сбрасывается, автоматически снимая запрос на обслуживание. Затем может быть дано разрешение на прием новых запросов от устройств, которые к данному моменту уже выставлены. Однако такая схема действительна только для входов статического типа. При использовании динамических входов ряд новых запросов, пришедших от ПУ во время обслуживания, может быть потерян. Для их восстановления в конце текущего цикла обслуживания следует повторить процедуру POLL. Возврат к прерванной программе разрешается только после обслуживания всех устройств.

Процедура опроса состояния готовности может потребовать значительных временных затрат. Для их сокращения подпрограммы STATUS должны быть оптимизированы, а возможно, и объединены в единую подпрограмму. Однако это приведет к потере гибкости системы прерываний.

Организация векторной системы прерываний. Повышение эффективности системы прерываний связано с параметризацией команды CALL и передачей функции генерации этого параметра, названного вектором прерывания, внешним средствам. Интерфейс векторного запроса расширен шиной VECT для ввода вектора прерывания. Ее физическое совмещение с шиной данных потребовало включения в системную магистраль новой командной линии подтверждения прерывания . Временные диаграммы цикла ввода вектора прерывания аналогичны диаграммам цикла чтения памяти с заменой строба на строб .

Выпускаемые промышленностью МП осуществляют как радиальные так и векторные прерывания (табл. 3.5). При этом вектор может представлять полную команду CALL (МП типов ВМ80/8085А), ее адресную часть, отдельное поле полного адреса и т. д. В более совершенных системах векторного прерывания (МП типов ВМ86/ВМ88, К1801ВМ1) введен уровень преобразования физического вектора в стартовый адрес процедуры обслуживания, который выполняется с помощью таблицы прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). При этом вектор рассматривается как индекс таблицы, которая обычно размещается в системной памяти начиная с нулевого адреса. В новом МП 80286 [52] введен специальный базовый регистр IDTR, позволяющий размещать таблицу прерываний в любой части адресного пространства памяти.

Таблица 3.5

Тип микропроцессора	Запросы			Тип микропроцессора	Запросы
	векторного прерывания	с фиксирован-ным вектором			векторного прерывания	с фиксирован-ным вектором
КР580ВМ80	INT	Нет		К1816ВЕ51	—	INT0
К1821ВМ85А	INTR	TRAP				INT1
		RST 7.5		К1810ВМ86	INTR	NM1
		RST 6.5		К1801ВМ1	VIRQ	IRQ1
		RST 5.5				IRQ2
		INT				IRQ3
				80286	INTR	NMI

Таблица IDT кроме стартового адреса может содержать дополнительную информацию, например начальное состояние PSW. В состав слова состояния программы обычно входит набор наиболее важных флажков и полей, управляющих системой прерываний, в частности приоритет процессора. Подтверждение прерывания автоматически сменяет их состояние, подготавливая систему прерываний к новому уровню обработки.

Аналогичным преобразованиям подвергаются и запросы радиальных прерываний. Обычно они соотносятся с некоторыми векторными прерываниями и называются запросами с фиксированными векторами.

Используя схему векторного прерывания с одним и тем же вектором легко получить линию запросов радиального типа. Так, для процессора на базе МП ВМ80 (см. рис. 2.17) не потребуется никаких вспомогательных схем. Действительно, при каждом стробе МП будет принимать состояние свободной шины данных. Для приведенной на рис. 2.17 схемы ЦП с прямой шиной, нагруженной резисторами, подключенными к источнику питания +5 В, цикл INTA закончится вводом вектора 0FFH что соответствует команде RST 7. В результате этого управление будет передано на стартовый адрес 0038Н. В случае инверсной шины ввод ее свободного состояния содержит код 00Н соответствующий команде NOP.

Существует более простой метод ввода вектора, эквивалентного RST 7. Для этого следует свободный выход системного контроллера ВК28/ВК38 подключить через резистор 1 кОм к источнику питания +12 В. Контроллер сам во время циклов INTA будет генерировать команду RST 7 на внутреннюю шину данных МП ВМ80 независимо от состояния системной шины данных.

На основе вышеизложенной методики можно легко построить поллинговые расширения системы прерываний с одним уровнем. Для этого следует флажок разрешения прерывания INTE (вариант флажка IS) устанавливать только по окончании обслуживания. Разрешение прерываний выполняется командой EI (вариант операции EOI) перед возвратом RET. Особенность команды EI состоит в том, что прерывания разрешаются только после исполнения последующего командного цикла. Это предотвратит возможное переполнение стека при серии плотно следующих друг за другом запросов. Задача построения процедуры POLL облегчается тем, что линия INTR является статической.

Другой способ расширения системы прерываний состоит в проектировании внешних программно-управляемых средств которые собирают вторичные (периферийные) радиальные запросы IRQ1—IRQN и формируют из них внутрисистемное векторное прерывание. Существуют два основных подхода при решении данной задачи. Первый подход—передача этих функций непосредственно ПУ и, следовательно, решается методом децентрализованного управления. Этот подход нашел свое практическое воплощение в МПК БИС, ориентированных на работу с Q-шиной. Второй подход состоит в передаче функции формирования векторного прерывания специальному устройству (рис. 3.39)— контроллеру прерываний. Сам контроллер прерываний может рассматриваться как расширение процессора, по этой причине его часто называют сопроцессором обработки прерываний. Данный подход удовлетворяет стандарту на системный интерфейс периферийных БИС типа Microbus, который предусматривает генерацию исключительно радиальных запросов.

Рис. 3.39. Подключение контроллера прерываний к центральному процессору

Рис. 3.40. Шлейфовая структура системы прерываний:

а—логика опроса периферийных устройств;

б—схема подключения к центральному процессору

Простейший вариант построения внешних средств формирования вектора средствами ПУ носит ярко выраженный шлейфовый характер (рис. 3.40). В нем копируется логика работы программы поллинга, перенося ее на аппаратные средства. Каждый запрос шлейфа может быть индивидуально замаскирован с помощью программно-доступного по записи триггера маски MSK. Обычно этот триггер входит в состав CW устройства и доступен для обратного контроля через SW. Вектор прерывания устройства может быть как фиксированным, так и программно-управляемым. При использовании шлейфа совместно с ЦП на базе ВМ80 вектор имеет вид 11NNN111, соответствующий команде RST N, N = 0—7.

Основной недостаток шлейфовой структуры—трудность управления приоритетами. Устройства, стоящие в INTA-цепочке ближе к ЦП, обладают более высоким приоритетом, поэтому изменение приоритетов сводится к изменению последовательности опроса, для чего может потребоваться специальная логика арбитража. Последняя может выполняться как централизованными, так и децентрализованными средствами.