Обработка аппаратных прерываний и контроллер прерываний
Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами компьютера, когда возникает необходимость их обслуживания. Например, по прерыванию таймера соответствующий обработчик прерывания увеличивает содержимое ячеек памяти, используемых для хранения времени. В отличие от программных прерываний, вызываемых запланировано самой прикладной программой, аппаратные прерывания всегда происходят асинхронно по отношению к выполняющимся программам. Кроме того, может возникнуть одновременно сразу несколько прерываний.
Для того чтобы система "не растерялась", решая, какое прерывание обслуживать в первую очередь, существует специальная схема приоритетов. Каждому прерыванию назначается свой уникальный приоритет. Если происходит одновременно несколько прерываний, то система отдает предпочтение самому высокоприоритетному, откладывая на время обработку остальных прерываний.
Система приоритетов реализована на двух микросхемах Intel 8259 (для машин класса XT - на одной такой микросхеме). Каждая микросхема обслуживает до восьми приоритетов. Микросхемы можно объединять (каскадировать) для увеличения количества уровней приоритетов в системе.
Уровни приоритетов обозначаются сокращенно IRQ0 - IRQ15 (для машин класса XT существуют только уровни IRQ0 - IRQ7).
Для машин XT приоритеты линейно зависели от номера уровня прерывания. IRQ0 соответствовало самому высокому приоритету, за ним шли IRQ1, IRQ2, IRQ3 и так далее. Уровень IRQ2 в машинах класса XT был зарезервирован для дальнейшего расширения системы. И начиная с машин класса AT IRQ2 стал использоваться для каскадирования контроллеров прерывания 8259. Добавленные приоритетные уровни IRQ8 - IRQ15 в этих машинах располагаются по приоритету между IRQ1 и IRQ3.
Приведем таблицу аппаратных прерываний, расположенных в порядке приоритета:
| Номер | Описание | ||
| 08h | IRQ0 - прерывание интервального таймера, возникает 18,2 раза в секунду | ||
| 09h | IRQ1 - прерывание от клавиатуры. Генерируется при нажатии и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных с клавиатуры | ||
| 0Ah | IRQ2 - используется для каскадирования аппаратных прерываний в машинах класса AT | ||
| 70h | IRQ8 - прерывание от часов реального времени | ||
| 71h | IRQ9 - прерывание от контроллера EGA | ||
| 72h | IRQ10 - зарезервировано | ||
| 73h | IRQ11 - зарезервировано | ||
| 74h | IRQ12 - зарезервировано | ||
| 75h | IRQ13 - прерывание от математического сопроцессора | ||
| 76h | IRQ14 - прерывание от контроллера жесткого диска | ||
| 77h | IRQ15 - зарезервировано | ||
| 0Bh | IRQ3 - прерывание асинхронного порта COM2 | ||
| 0Ch | IRQ4 - прерывание асинхронного порта COM1 | ||
| 0Dh | IRQ5 - прерывание от контроллера жесткого диска для XT | ||
| 0Eh | IRQ6 - прерывание генерируется контроллером флоппи-диска после завершения операции | ||
| 0Fh | IRQ7 - прерывание принтера. Генерируется принтером, когда он готов к выполнению очередной операции |
Из таблицы видно, что самый высокий приоритет - у прерываний от интервального таймера, затем идет прерывание от клавиатуры.
Для управления схемами приоритетов необходимо знать внутреннее устройство контроллера прерываний 8259. Поступающие прерывания запоминаются в регистре запроса на прерывание IRR. Каждый бит из восьми в этом регистре соответствует прерыванию. После проверки на обработку в настоящий момент другого прерывания запрашивается информация из регистра обслуживания ISR. Перед выдачей запроса на прерывание в процессор проверяется содержимое восьмибитового регистра маски прерываний IMR. Если прерывание данного уровня не замаскировано, то выдается запрос на прерывание.
Программируемый контроллер прерываний 8259 предназначен для обработки до восьми приоритетных уровней прерываний. Возможно каскадирование микросхем, при этом общее число уровней прерываний будет достигать 64.
Контроллер 8259 имеет несколько режимов работы, которые устанавливаются программным путем. В персональных компьютерах XT и AT за первоначальную установку режимов работы микросхем 8259 отвечает BIOS. У программиста, скорее всего, не возникнет потребность перепрограммировать контроллер - это небезопасно, так как неправильное программирование контроллера приведет к нарушению логики работы всей системы.
Однако часто возникает необходимость изменения текущего режима работы (запрет или разрешение прерываний определенного или всех уровней, обработка конца прерывания) или опроса состояния внутренних регистров контроллера. Для этого необходимо ознакомиться со справочными данными на микросхему 8259, где детально описано как первоначальное программирование контроллера, так и управление им во время работы.
Каждому приоритетному уровню прерывания микросхема ставит в соответствие определенный, задаваемый программно, номер прерывания.
Если контроллеры 8259 каскадированы, то ведомой микросхеме присваивается код (выдачей в микросхему соответствующего командного слова). Этот код равен номеру входа IRQ_ведущей микросхемы, с которым соединен выход запроса прерывания INT ведомой микросхемы. Внутри микросхемы приоритет зависит от номера IRQ и задается программно. Для компьютеров XT и AT самым высоким приоритетом внутри группы, обслуживаемой каждым контроллером, является вход IRQ0. Однако возможно программное изменение приоритетов в рамках так называемого приоритетного кольца. При этом дно приоритетного кольца имеет самый низкий приоритет.
Приведем возможные варианты задания приоритетов:
|
Вход |
Уровни приоритета |
|
IRQ0 |
7 6 5 4 3 2 1 0 |
|
IRQ1 |
0 7 6 5 4 3 2 1 |
|
IRQ2 |
1 0 7 6 5 4 3 2 |
|
IRQ3 |
2 1 0 7 6 5 4 3 |
|
IRQ4 |
3 2 1 0 7 6 5 4 |
|
IRQ5 |
4 3 2 1 0 7 6 5 |
|
IRQ6 |
5 4 3 2 1 0 7 6 |
|
IRQ7 |
6 5 4 3 2 1 0 7 |
Для обработки прерываний контроллер имеет несколько внутренних регистров. Это регистр запросов прерываний IRR, регистр обслуживания прерываний ISR, регистр маски прерываний IMR. В регистре IRR хранятся запросы на обслуживание прерываний от аппаратуры. После выработки сигнала прерывания центральному процессору соответствующий разряд регистра ISR устанавливается в единичное состояние, что блокирует обслуживание всех запросов с равным или более низким приоритетом. Устранить эту блокировку можно либо сбросом соответствующего бита в ISR, либо командой специального маскирования.
Имеется два типа команд, посылаемых программой в контроллер 8259, - команды инициализации и команды операции. Возможны следующие операции:
Индивидуальное маскирование запросов прерывания;
Специальное маскирование обслуженных запросов;
Установка статуса уровней приоритета (по установке исходного состояния, по обслуженному запросу, по указанию);
Операции конца прерывания (обычный конец прерывания, специальный конец прерывания, автоматический конец прерывания);
Чтение регистров IRR, ISR, IMR.
Мы не будем подробно описывать команды инициализации контроллера 8259, так как программистам они, скорее всего, не понадобятся. Желающих разобраться во всех тонкостях задания начального режима работы контроллера прерываний мы отсылаем к справочной литературе по микросхеме 8259.
Рассмотрим команды операций. Существует три типа команд операций:
1. Маскирование запросов прерывания.
2. Команды обработки конца прерывания.
3. Опрос регистров и специальное маскирование.
Байты команды маскирования запросов прерывания выводятся соответственно в порты 21h и A1h для первого и второго контроллера 8259 компьютера AT. Команды операций второго и третьего типа используют порты с адресами 20h и A0h.
Для маскирования какого-либо уровня прерывания надо записать в регистр маски IMR по адресу 21h или A1h единицу в разряд регистра, соответствующий этому уровню. Например, для маскирования прерываний от НГМД в порт 21h надо заслать двоичное число 01000000.
В листинге 5.8 приведен пример программы LOCKFDD, маскирующей прерывание от флоппи-диска.
Листинг 5.8. Файл LOCKFDD.C
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>
void main(void);
void main(void) {
outp(0x21,0x40);
printf("\nПрерывания от флоппи-диска запрещены.\n");
exit(0);
}
Чтобы "оживить" флоппи-диски, запустите программу UNLOCK, которая размаскирует все прерывания (в том числе и от флоппи-диска). Исходный текст этой программы представлен в листинге 5.9.
Листинг 5.9. Файл UNLOCK.C
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>
void main(void);
void main(void) {
outp(0x21,0);
printf("\nПрерывания от флоппи-диска разрешены.\n");
exit(0);
}
Заметьте, что мы только что замаскировали прерывание именно от флоппи-диска, все остальные устройства продолжали нормально работать. Если бы мы выдали машинную команду CLI, то отключились бы все аппаратные прерывания. Это привело бы, например, к тому, что клавиатура была бы заблокирована.
Еще одно замечание, касающееся обработки аппаратных прерываний. Если вы полностью заменяете стандартный обработчик аппаратного прерывания, не забудьте в конце программы выдать команду обработки конца прерывания. Эти действия необходимы для очистки регистра обслуживания прерывания ISR. При этом разрешается обработка прерываний с более низким приоритетом, чем то, которое только что обрабатывалось.
Команды обработки конца прерывания приведем в виде таблицы:
|
Биты байта команды D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 |
Описание |
|
0 0 1 0 0 0 0 0 |
Обычный конец прерывания |
|
0 1 1 0 0 B2 B1 B0 |
Специальный конец прерывания, B0...B2 - двоично-десятичный код сбрасываемого разряда в регистре обслуживания прерывания ISR |
|
1 0 1 0 0 X X X |
Циклический сдвиг уровней приоритета с обычным концом прерывания. Дно приоритетного кольца устанавливается по обслуженному запросу |
|
1 1 1 0 0 B2 B1 B0 |
Циклический сдвиг уровней приоритета со специальным концом прерывания, B0...B2 - двоично-десятичный код дна приоритетного кольца |
|
1 0 0 0 0 X X X |
Разрешение вращения уровней приоритета |
|
0 0 0 0 0 X X X |
Сброс разрешения вращения уровней приоритета |
|
1 1 0 0 0 B2 B1 B0 |
Циклический сдвиг уровней приоритета без завершения прерывания, B0...B2 - двоично-десятичный код дна приоритетного кольца |
Команды третьего типа выдаются также в порты с адресами 20h и A0h. Они имеют следующий формат:
|
Биты байта команды D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 |
Описание |
|
0 0 0 0 1 1 X X |
Установка режима опроса |
|
0 0 0 0 1 0 1 1 |
Разрешение чтения регистра ISR |
|
0 0 0 0 1 0 1 0 |
Разрешение чтения регистра IRR |
|
0 1 1 0 1 0 0 0 |
Разрешение триггера специального маскирования |
|
0 1 0 0 1 0 0 0 |
Сброс триггера специального маскирования |
Команда специального конца прерывания устанавливает в нулевое состояние тот разряд ISR, номер которого указан в разрядах B0...B2 команды.
Команда циклического сдвига уровней приоритета с обычным концом прерывания устанавливает в ноль разряд ISR, соответствующий последнему обслуженному запросу, и этому же номеру запроса присваивается низший уровень приоритета.
Аналогично работает команда циклического сдвига уровней приоритета со специальным концом прерывания, только низший уровень приоритета присваивается тому входу IRQ, номер которого указан в разрядах B0...B2 команды.
Команда циклического сдвига уровней приоритета устанавливает статус уровней приоритета без выполнения операции конца прерывания. Разряды B0...B2 указывают дно приоритетного кольца.
После выполнения команд разрешения чтения регистров ISR или IRR при выполнении команды ввода из порта 20h и A0h считывается соответственно содержимое регистров ISR и IRR. Для получения содержимого регистра IMR необходимо выполнить чтение портов с адресами соответственно 21h и A1h.
Команда разрешения триггера специального маскирования блокирует действие тех разрядов ISR, которые замаскированы командой типа 1 (маскирования индивидуальных приоритетных уровней запроса прерывания). Специальное маскирование используется для обслуживания такого запроса, который блокируется старшим или равным по уровню приоритета обслуженным запросом, хранящимся в ISR, не сбрасывая последний.
Чтение регистров ISR и IRR может использоваться резидентными программами при проверке возможности своей активизации - можно проверить, не выполняется ли в настоящий момент обработка какого-нибудь прерывания, которая может конфликтовать с действиями резидентной программы.
