Обработка прерываний, векторы прерываний, программные прерывания, IRQ. AVR. Учебный Курс. Управляемый вектор прерывания. Главные функции механизма прерывания

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Прерывания.
Рубрика (тематическая категория)	Программирование

Сторожевые таймеры.

Часто электрические помехи, производимые окружающим оборудованием, вызывают обращение микроконтроллера по неправильному адресу, после чего его поведение становится непредсказуемым (микроконтроллер ʼʼидет в раз­носʼʼ). Чтобы отслеживать такие ситуации в состав микроконтроллера часто включают сторожевые таймеры.

Это устройство вызывает сброс микроконтроллера, в случае если его содержимое не будет обновлено в течение определœенного промежутка времени (обычно от десятков миллисекунд до нескольких секунд). В случае если изменение содержимо­го программного счетчика не соответствует заданной программе, то команда модификации сторожевого таймера не будет выполнена. В этом случае сторо­жевой таймер производит сброс микроконтроллера, устанавливая его в ис­ходное состояние.

Многие разработчики не используют сторожевые таймеры в своих прило­жениях, так как не видят крайне важно сти их применения для борьбы с влия­нием электрических помех, к примеру, при размещении микроконтроллера в электронно-лучевом дисплее вблизи от трансформатора, обеспечивающего гашение обратного хода луча, или рядом с катушками зажигания в автомо­биле. В современной электронике вероятность возникновения электрических нарушений незначительна, хотя они иногда возникают в ситуациях, похо­жих на перечисленные выше.

Не рекомендуется использовать сторожевой таймер для маскирования программных проблем. Хотя данный таймер может уменьшить вероятность про­граммных ошибок, однако вряд ли он обеспечит исключение всœех возмож­ных причин их возникновения. Вместо того, чтобы надеяться на предотвра­щение программных сбоев аппаратными средствами, лучше более тщательно протестировать программное обеспечение в различных ситуациях.

Многие пользователи считают, что прерывания - это та часть аппаратного обеспечения, которую лучше оставить в покое, так как их использование требует превосходного знания процессора для разработки программы обра­ботки прерывания. В противном случае при возникновении прерывания сис­тема ʼʼзасыпаетʼʼ или ʼʼидет вразносʼʼ. Такое чувство обычно появляется у раз­работчика после опыта работы с прерываниями для персонального компьютера, который имеет ряд особенностей, усложняющих создание об­работчика прерываний. Многие из этих проблем не имеют места в оборудова­нии, реализованном на базе микроконтроллеров. Использование в данном оборудовании прерываний может существенно упростить его разработку и применение.

В случае если вы никогда не имели дело с прерываниями, то у вас возникнет вопрос - что это такое? В компьютерной системе прерывание - это запуск специальной подпрограммы (называемой ʼʼобработчиком прерыванияʼʼ или ʼʼпрограммой обслуживания прерыванияʼʼ), который вызывается сигналом аппаратуры. На время выполнения этой подпрограммы реализация текущей программы останавливается. Термин ʼʼзапрос на прерываниеʼʼ (interrupt request) используется потому, что иногда программа отказывается подтвердить пре­рывание и выполнить обработчик прерывания немедленно (рис 2.19).

Прерывания в компьютерной системе аналогичны прерываниям в повсœед­невной жизни. Классический пример такого прерывания - телœефонный зво­нок во время просмотра телœевизионной передачи. Когда звонит телœефон, у вас есть три возможности. Первый - проигнорировать звонок. Второй - отве­тить на звонок, но сказать, что вы перезвоните позже. Третий - ответить на звонок, отложив всœе текущие дела. В компьютерной системе также имеются три подобных ответа͵ которые бывают использованы в качестве реакции на внешний аппаратный запрос.

Первый возможный ответ - ʼʼне реагировать на прерывание, пока не за­вершится выполнение текущей задачиʼʼ - реализуется путем запрещения (маскирования) обслуживания запроса прерывания. После завершения задачи возможен один из двух вариантов: сброс маски и разрешение обслуживания, что приведет к вызову обработчика прерывания, или анализ значения битов (ʼʼполлингʼʼ). указывающих на поступление запросов прерывания и непос­редственное выполнение программы обслуживания без вызова обработчика прерывания. Такой метод обработки прерываний используется, когда требу­ется обеспечить заданное время выполнения основной программы, так как любое прерывание может нарушить реализацию крайне важно го интерфейса.

Рис. 2.18 - Выполнение прерывания.

Не рекомендуется долгое маскирование прерываний, так как в течение этого времени может произойти наложение нескольких событий, вызываю­щих прерывания, а распознаваться будет только одно. Допустимая продолжи­тельность маскирования зависит от конкретного применения микроконтрол­лера, типа и частоты следования таких событий. Не рекомендуется запрещать прерывания на время большее, чем половина минимального ожидаемого периода следования событий, запрашивающих прерывания.

Обработчик прерывания всœегда обеспечивает следующую последователь­ность действий:

2. Сбросить контроллер прерываний и оборудование, вызвавшее запрос.

3. Обработать данные.

4. Восстановить содержимое регистров контекста.

5. Вернуться к прерванной программе.

Регистры контекста - это регистры, определяющие текущее состояние выполнения основной программы. Обычно к их числу относятся программ­ный счетчик, регистры состояния и аккумуляторы. Другие регистры процессора, такие как индексные регистры, бывают использованы в процессе обработки прерывания, в связи с этим их содержимое также крайне важно сохра­нить. Все остальные регистры являются специфическими для конкретного микроконтроллера и его применения.

После сброса в исходное состояние контроллер прерываний готов вос­принимать следующий запрос, а оборудование, вызывающее прерывание, готово посылать запрос, когда возникают соответствующие причины. В случае если поступит новый запрос прерывания, то регистр маскирования прерываний процессора предотвратит обработку прерывания, но регистр состояния пре­рываний зафиксирует данный запрос, который будет ожидать своего обслужива­ния. После завершения обработки текущего прерывания маска прерываний будет сброшена, и вновь поступивший запрос поступает на обработку.

Вложенные прерывания сложны для реализации некоторыми типами мик­роконтроллеров, которые не имеют стека. Эти прерывания могут также выз­вать проблемы, связанные с переполнением стека. Проблема переполнения актуальна для микроконтроллеров из-за ограниченного объёма их памяти данных и стека: последовательность вложенных прерываний может привести к тому, что в стек будет помещено больше данных, чем это допустимо.

Наконец, прерывание обработано. Второй пример с телœевизором показы­вает, что можно быстро отреагировать на запрос прерывания, приняв необ­ходимые данные, которые будут затем использованы после решения теку­щей задачи. В микроконтроллерах это реализуется путем сохранения поступивших данных в массиве памяти и последующей их обработки, когда выполнение исходной программы будет завершено. Такой способ обслужива­ния является хорошим компромиссом между немедленной полной обработ­кой прерывания, которая может потребовать много времени, и игнорирова­нием прерывания, что может привести к потере информации о событии, вызвавшем прерывание.

Восстановление регистров контекста и выполнение команды возврата из прерывания переводит процессор в состояние, в котором он находился до возникновения прерывания.

Рассмотрим, что происходит с содержимым различных регистров при обработке прерывания. Содержимое регистра состояния обычно автомати­чески сохраняется вместе с содержимым программного счетчика перед обра­боткой прерывания. Это избавляет от крайне важно сти сохранять его в памяти программными средствами с помощью команд пересылки, а затем восста­навливать при возврате к исходной программе. При этом такое автоматическое сохранение реализуется не во всœех типах микроконтроллеров, в связи с этим орга­низации обработки прерываний следует уделить особое внимание.

В случае если содержимое регистра состояния сохраняется перед началом выпол­нения обработчика прерывания, то по команде возврата производится его автоматическое восстановление.

В случае если содержимое других регистров процессора изменяется при выполне­нии обслуживания прерывания, то оно также должно быть сохранено в памяти до изменения и восстановлено перед возвратом в основную программу. Обычно принято сохранять всœе регистры процессора, чтобы избежать не­предсказуемых ошибок, которые очень трудно локализовать.

Адрес, который загружается в программный счетчик при переходе к обра­ботчику прерывания, принято называть ʼʼвектор прерыванияʼʼ. Существует несколь­ко типов векторов. Адрес, который загружается в программный счетчик при запуске микроконтроллера (reset) принято называть ʼʼвектор сбросаʼʼ. Для различных прерываний бывают заданы разные вектора, что избавляет программу обслуживания от крайне важно сти определять причину прерывания. Использо­вание различными прерываниями одного вектора обычно не вызывает про­блем при работе микроконтроллеров, так как чаще всœего микроконтроллер исполняет одну единственную программу. Этим микроконтроллер отличается от персонального компьютера, в процессе эксплуатации которого могут до­бавляться различные источники прерываний. (В случае если вы когда-либо подклю­чали два устройства к портам СОМ1 и COM3, то вы представляете, о чем идет речь). В микроконтроллере, где аппаратная часть хорошо известна, не должно возникнуть каких-либо проблем при совместном использовании век­торов прерываний.

Последнее, что осталось рассмотреть, - это программные прерывания. Существуют процессорные команды, которые бывают использованы для имитации аппаратных прерываний. Наиболее очевидное использование этих команд - это вызов системных подпрограмм, которые располагаются в про­извольном месте памяти, или требуют для обращения к ним межсегментных переходов. Эта возможность реализована в микропроцессорах семейства Intel i86 и используется в базовой системе ввода-вывода BIOS (Basic Input/Output System) и операционной системе DOS персональных компьютеров для вызо­ва системных подпрограмм без крайне важно сти фиксирования точки входа. Вместо этого используются различные вектора прерываний, выбирающие команду, которая должна выполняться, когда происходит такое программ­ное прерывание.

Возможно после прочтения этой главы механизм прерываний станет для Вас более понятным или, наоборот. Вы только еще больше запутаетесь. При описании каждого микроконтроллера будет показано, как использование прерываний может упростить его применение.

Прерывания. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Прерывания." 2017, 2018.

3. Примеры прерываний

3.1. Прерывание по изменению сигнала на портах ввода/вывода (пример в PROTEUS)

3.2. Внешнее прерывание INT (пример в PROTEUS)

У всех типов микроконтроллеров архитектуры dsPIC прерывания одинаковые. Поэтому можно смело изучать прерывания в программе PROTEUS. Для исследования будем использовать микроконтроллер, который имеется в PROTEUS.

Итак, какие же существуют прерывания, в микроконтроллере dsPIC33FJ32GP204?

А прерываний в микроконтроллере достаточно много. И все перечислять в данной лекции не имеет смысла. Ведь первое на что мы обращаем внимание, выбирая микроконтроллер – это какие модули в нём есть, а уж потом смотрим, какие прерывания он имеет. Так же и мы будем изучать всё в такой же последовательности. По мере изучения микроконтроллера будем разбирать прерывания различных модулей.

В общем, нужно знать, что для микроконтроллера существует таблица векторов прерываний, которая располагается в памяти программ. Каждое прерывание имеет свой вектор, т. е. адрес начала подпрограммы обработки конкретного прерывания (ISR). Также имеется альтернативная таблица векторов прерывания. При помощи одного бита ALTINV можно указать, из какой таблицы нужно брать адрес подпрограммы прерывания. Т. е. есть альтернатива основной таблице. Но нужно помнить, что бит ALTINV используется сразу для всей таблицы. И если установлена альтернативная таблица, то абсолютно все адреса подпрограммы обработки прерываний, основная программа будет брать из альтернативной таблицы. Альтернативная таблица очень полезна для режима отладки, так как позволяет один раз записать в контроллер программу и при помощи, к примеру, кнопки выбирать между двумя алгоритмами работы программы.

В dsPIC расширили диапазон приоритетов прерываний. Если в PIC18 их было только 2, то в dsPIC уже 8 уровней. И когда я разрабатывал модуль для связи по каналу GPRS, мне это очень пригодилось, так как в микроконтроллере использовалась практически вся имеющаяся на борту периферия, а количество обрабатываемых прерывания было около двадцати.

Самое главное нужно знать, что для работы с каждым прерыванием существует всего 3 основных бита (регистра): бит разрешение прерывания, флаг прерывания, три бита выбора приоритета прерывания.

Итак, что же нужно от программиста для работы с прерыванием:

1. Ему нужно разрешить какое-нибудь конкретное прерывание.

2. После того как наступило событие, вызвавшее прерывание, устанавливается флаг соответствующего прерывания, и программа, так сказать, переходит по вектору прерывания. А если нормальным языком сказать: то, как только произойдёт прерывание, так сразу будет вызвана подпрограмма обработки конкретного прерывания.

3. Главное не забыть в подпрограмме прерывания сбросить флаг этого самого прерывания.

Для микроконтроллера dsPIC компилятор С30 предусматривает следующее правило описание подпрограмм обработки прерывания, например для прерывания INT1:

void __ attribute __((__ interrupt __)) _ INT 1 Interrupt ()

Главное нужно обратить внимание на концовку текста заголовка подпрограммы: _ INT 1 Interrupt () – это единственный параметр который обязательно нужно изменять для различных видов прерываний. Для каждого прерывания из таблицы векторов прерывания имеется своё обозначение данного параметра. И тут уж придётся открыть файл помощи к компилятору С30, в частности раздел (у меня это…) «dsPIC30F DSCs (SMPS) Interrupt Vectors» и посмотреть таблицу какое прерывание каким образом должно вызываться. В данной статье приводить эту таблицу не считаю целесообразным, так как у того, кого есть компилятор С30, у того должен быть вложен файл помощи hlpMPLABC30.chm (лично у меня именно так называется). А тем, у кого нет данного компилятора, то и таблица им незачем J. Ладно, отвлеклись…

Кстати, если более глубже познакомится с принципами описания функции прерывания, то можно будет обнаружить наличие специального атрибута auto_psv. Этот параметр предназначен для указания микроконтроллеру, что главные регистры он должен сохранить до того, как перейти к обработке прерывания. Я предполагаю, что вы знаете для чего нужно сохранять ключевые регистры.

Например, описание прерывания будет выглядеть следующим образом:

void __attribute__((interrupt, auto_psv)) _INT1Interrupt()

Выше был приведён пример заголовка вызова подпрограммы используя адрес основной таблицы. А для альтернативной таблице нужно только в изменяемом параметре после подчёркивания вставить Alt , например:

_ INT 1 Interrupt () -> _ AltINT 1 Interrupt ()

Хочу обратить внимание, хоть подпрограмма прерывания и выглядит как подпрограмма, но объявлять её не нужно, также как и main , так как она объявлена уже компилятором, нужно только правильно написать заголовок подпрограммы обработки прерывания.

Начнём с изучения элементарных прерываний, а затем при изучении каждого модуля мы будем знакомиться со свойственными им прерываниями.

3.1. Прерывание по изменению сигнала на портах ввода/вывода (CN )

Одно из самых простых для понимания прерывание – это прерывание по изменению состояние на входе CN. В микроконтроллере dsPIC33FJ32GP204 полно таких входов, так что, думаю, это количество удовлетворит любые запросы. Не важно, с какого на какое изменяется состояние на этих каналах («1» -> «0» или «0» -> «1»), это изменение, если оно разрешено, вызовет установление флага «CNIF». Для того, чтобы активизировать прерывание по изменению сигнала, нужно проделать следующие действия:

1. Настроить необходимые каналы CN на вход (с помощью регистра TRISх).

2. Включить контроль изменения сигнала на соответствующем входе CN. Для этого есть аж 2 регистра CNEN1 и CNEN2. Можно как целиком обращаться к каждому регистру для настройки, либо обращаться к соответствующим битам (например _CN15IE=1; _CN6IE=1;)

3. Если необходимо, то включить подтягивающие резисторы. Для этого есть также два регистра CNPU1 и CNPU2. Можно и по отдельности, к примеру _CN15PUE=1; _CN6PUE=1;

4. Разрешить прерывание по изменению сигнала на CN (_ CNIE =1 )

5. Теперь как только изменится сигнал на контролируемых выводах CN, установится флаг прерывания _CNIF. И программа заходит в функцию обработки прерывания. Компилятор С30 для прерывания по изменению сигнала на CN предусмотрел следующее описание функции:

void __ attribute __((__ interrupt __)) _ CNInterrupt ()

Именно здесь происходит обработка данного прерывания (смотреть пример)

6. В подпрограмме обработки прерывания не забываем сбросить флаг прерывания.

Для ознакомления с данным видом прерывания рассмотрим следующий пример. Имеется двигатель и 4 датчика. Когда всё в порядке, то двигатель должен вращаться против часовой стрелки. Но как только состояние датчика изменится (аварийный режим) – двигатель должен немедленно начать вращаться в обратную сторону (по часовой стрелки). А через заданный промежуток времени вновь начать вращаться против часовой стрелки.

Подобно реализован детектор металла на машинах по уборке урожая. Когда в машину поступает, к примеру, скошенная трава, то это нормальный режим работы. Но как только детектор металла обнаруживает металлический объект, то мгновенно происходит реверс и машина как бы выплёвывает этот металлический объект, чтобы не повредить механизм. А металл обнаруживается специальным датчиком, состоящим из нескольких независимых каналов, но объединённых в одно общее устройство. В нашем примере мы конечно же всё очень упростим, вместо датчика присутствия металла мы будем использовать обычные кнопки.

Собираем схему в PROTEUS

А теперь составляем программу для выполнения поставленной задачи

# include " p 33 Fxxxx . h "

_ FOSCSEL (0 x 02);

_ FOSC (0 xE 2);

char state ; // переменная хранит направление вращения двигателя

// "1" - аварийный режим, "0" - нормальный режим

void init (void );

void init (void )

{ _ CN 8 PUE =1; //включаем подтягивающий резистор на вход CN8 (RС0)

_ CN 10 PUE =1; //включаем подтягивающий резистор на вход CN10 (RС2)

_ CN 17 PUE =1; //включаем подтягивающий резистор на вход CN17 (RС7)

_ CN 19 PUE =1; //включаем подтягивающий резистор на вход CN19 (RС9)

AD 1 PCFGL =0 xffff ;

PORTC =0; // инициализируем порт С

LATC =0;

TRISC =0 xFFFF ; // настраиваем порт C как вход

PORTC =0 xFFFF ;

PORTA =0; // инициализируем порт A

LATA =0;

TRISA =0; // Все вывод настраиваем на выход,

PORTA =0;

_ CN 8 IE =1; // включаем контроль изменения сигнала на

_ CN 10 IE =1; // соответствующих выводах

_ CN 17 IE =1; // если на них изменится сигнал, то

_ CN 19 IE =1; // установится флаг прерывания _CNIF

_ CNIE =1; // разрешаем прерывание INT1

void __ attribute __((__ interrupt __)) _ CNInterrupt ()

state =1; // это аварийный режим

_ CNIF =0; // сбрасываем флаг прерывания по изменению сигнала

void main (void )

{ static long int i ;

init ();

state =0; // считаем, что режим работы при старте нормальный

while (1) // запускаем бесконечный цикл

{ if (state ) // если режим аварийный, то

{ _ CNIE =0; // запрещаем прерывание по изменению сигнала

_ RA 8=0;

_ RA 0=1; // в аварийном режиме

for (i =0; i <210000; i ++) //обеспечиваем задержку

state =0; // активизируем нормальный режим работы двигателя

_ CNIE =1; // разрешаем прерывания CN

{ _ RA 8=1; // в нормальном режиме

_ RA 0=0; // обеспечиваем направления вращения двигателя

} // while(1)

3.2. Внешнее прерывание INT

Если вам необходимо, чтобы ваш микроконтроллер незамедлительно реагировал на действия внешних устройств, то прерывание INT – это то, что вам нужно. В микроконтроллере dsPIC33FJ32GP204 есть три канала INT (INT0, INT1, INT2). Т. е. вы можете для каждого из трёх внешних устройств предусмотреть своё прерывание. Данное прерывание хорошо тем, что оно может вывести контроллер из режима SLEEP. К тому же вам не нужно непрерывно сканировать данные входы, что отнимало бы ресурсы микроконтроллера.

Прерывание INT возникает при изменении сигнала на входе либо «0» -> «1» либо «1» -> «0». Это зависит от состояния бита _INT1EP . Если _INT1EP =1, то по заднему фронту; если _INT1EP =0, то по переднему фронту (например _INT1EP =1 – прерывание INT0 происходит по заднему фронту).

Что касается приоритета, то прерывание INT0 имеет наивысший приоритет, причём в таблице прерываний он является самым первым. Ниже располагаются прерывания INT1 и INT2.

В принципе это и все особенности данного прерывания. Всё остальное как и у других прерываний, т. е. нужно разрешить соответствующее внешнее прерывание. И если произойдёт прерывание, то оно установит соответствующий флаг _INTхIF (например _INT1IF). Не забываем его сбросить. В общем, всё проще простого.

Переходим к примеру

Эмитируем электронный звонок в квартиру или дом. Устройство должно при нажатии на кнопку выдать звуковой сигнал и подмигнуть светом (для тех кто любит громко слушать музыку).

Составляем схему в PROTEUS, нам понадобится дополнительно к микроконтроллеру ещё кнопка, пищалка и светодиод.

Думаю на рисунке всё предельно ясно. Перейдём к программе.

#include "p33Fxxxx. h"

// Устанавливаем биты настройки генератора (HS)

_ FOSCSEL (0 x 02);

_ FOSC (0 xE 2);

char state; // "1" - включить звонок, "0" - звонок отключён

void init (void); //объявляем подпрограмму инициализации

// ** подпрограмма инициализация **

void init (void)

{ _CN4PUE=1; //включаем подтягивающий резистор на вход CN4 (RB0)

AD1PCFGL=0xffff; // все выводы как цифровые I/O

PORTB=0x00; // инициализируем порт В

LATB=0;

TRISB=0x0001; // вывод RB0 настраиваем на вход

PORTB=0x00;

// инициализации порта C.

PORTC=0;

LATC=0;

TRISC=0; //устанавливаем все выводы как выход

PORTC=0;

RPINR0=0x0000; // сигнал INT1 настраиваем, чтобы снимать с вывода RP0 (RB0) (данная

// команда не для всех dsPIC

_INT1EP=1; // прерывание INT1 происходит по заднему фронту

_INT1IE=1; // разрешаем прерывание INT1

// ******* подпрограмма обработки прерывания *

void __ attribute __((__ interrupt __)) _ INT 1 Interrupt ()

state =1; // необходимо включить звонок

_ INT 1 IF =0; // сбрасываем флаг прерывания INT1

// **** Точка входа в программу *

void main (void )

{ static long int i ; //объявляем переменную, чтобы организовать задержку

init(); // вызываем подпрограмму инициализации

state=0; // вначале звонок должен быть выключен

while(1) // запускаем бесконечный цикл

{ if (state) // если state равен "1", то

{ _RC0=1; // зажигаем светодиод

_RC2=1; // включаем пищалку

for(i=0;i<160000;i++) // задержка, обеспечивает определённое время звучания

state=0; // указываем, что пищалку нужно отключить

else // иначе, если state равна "0", то

{ _RC0=0; // гасим светодиод

_RC2=0; // прекращаем звуковой сигнал

} // while(1)

Аналогично работать и с прерываниями INT0 и INT2. В дальнейших примерах мы ещё не раз будем пользоваться этими прерываниями.

Вложенные прерывания

Этот механизм полностью поддерживается в ОС QNX Neutrino. В предыдущих сценариях описывалась самая простая и наиболее распространенная ситуация, когда возникает только одно прерывание. Однако для получения максимального значения задержки в отсутствие немаскированных прерываний следует рассматривать время с учетом сразу всех текущих прерываний, так как немаскированное прерывание с более высоким приоритетом будет вытеснять текущее прерывание.

На рис. 2.25 показан выполняемый Поток А. Прерывание IRQx запускает обработчик прерываний Intx, который вытесняется прерыванием IRQy и обработчиком прерываний lnty. Обработчик прерываний Inty возвращает событие, которое запускает Поток В, а обработчик прерываний Intx возвращает событие, которое запускает Поток С.

Вызовы, связанные с прерываниями

Программный интерфейс обработки прерываний включает в себя следующие вызовы ядра.

Посредством этого программного интерфейса поток с соответствующими пользовательскими привилегиями может вызывать функцию InterruptAttachQ или Interrupt Attach EventQ, передавая номер аппаратного прерывания и адрес функции в адресном пространстве потока, которая должна быть вызвана при возникновении прерывания. ОС QNX Neutrino позволяет с каждым номером аппаратного прерывания связывать множество обработчиков прерываний (ISR). Немаскированные прерывания могут обрабатываться во время выполнения уже запущенных обработчиков прерываний.

Далее приводится пример программного кода, с помощью которого обработчик прерываний (ISR) присоединяется к аппаратному прерыванию таймера (которое ОС также использует в качестве системных часов). Обработчик прерываний таймера, имеющийся в ядре, самостоятельно выполняет очистку источников прерываний, поэтому он только увеличивает значение счетчика в пространстве данных потока и затем передает управление ядру.

В результате пользовательские потоки, имеющие соответствующие привилегии, могут динамически присоединять (и отсоединять) обработчики прерываний к (от) векторам аппаратных прерываний в процессе их выполнения. Эти потоки могут быть отлажены на уровне исходного текста с помощью обычных отладочных средств, а сам обработчик прерываний может быть отлажен посредством вызова этого обработчика на уровне потока и пошагового выполнения на уровне исходного текста или посредством вызова функции InterruptAttachEventQ.

Когда происходит аппаратное прерывание, процессор вызывает модуль первичной обработки прерываний (interrupt redirector) микроядра. Данный модуль записывает на стек регистровый контекст выполняемого потока в соответствующий элемент таблицы потоков и затем устанавливает такой контекст, чтобы у обработчика прерываний был доступ к программному коду и данным потока, в котором содержится этот обработчик прерываний. Таким образом, обработчик прерываний получает возможность использовать буферы и код в пользовательском: потоке для определения источника возникшего прерывания и, в случае если поток требует выполнения работы более высокого уровня, сгенерировать событие для того потока, в который входит данный обработчик прерываний, после чего этот поток может обработать данные, которые обработчик прерываний поместил в принадлежащий ему буфер.

Поскольку обработчик прерываний отображается в контекст содержащего его потока, он может непосредственно оперировать устройствами, отображенными в адресном пространстве потока, или самостоятельно выполнять команды ввода/вывода. В результате это избавляет от необходимости связывать драйверы устройств с ядром.

Модуль первичной обработки прерываний, который содержится в микроядре, вызывает все обработчики, связанные с данным аппаратным прерыванием. Если возвращенное значение указывает на то, что процессу должно быть передано некоторое событие, ядро ставит это событие в очередь. После того как последний обработчик прерываний вызывается для обработки данного вектора прерываний, обработчик прерываний ядра завершает работу с устройством управления прерываниями и "возвращается из прерывания".

Этот возврат из прерывания не обязательно должен приводить в контекст прерванного потока. Если событие, поставленное в очередь, заставило поток с более высоким приоритетом перейти в состояние готовности (READY), то микроядро выполнит возврат из прерывания в контекст потока, который является активным в текущий момент.

Таким образом устанавливается период (т. н. задержка обработки прерывания) между возникновением прерывания и выполнением первой инструкции обработчика прерываний, а также период (т. н. задержка планирования) между последней инструкцией обработчика прерываний и первой инструкцией потока, приведенного обработчиком прерываний в состояние готовности.

Период максимальной задержки обработки прерывания строго определяется благодаря тому, что ОС запрещает прерывания только на время выполнения нескольких инструкций в нескольких критических секциях программного кода. Периоды, в течение которых прерывания запрещены, продолжаются строго определенное время и не имеют зависимости от данных.

Модуль первичной обработки прерываний, имеющийся в микроядре, выполняет несколько инструкций перед тем, как вызвать обработчик прерываний. В результате вытеснение процессов по аппаратным прерываниям или вызовам ядра происходит одинаково быстро и посредством одной и той же цепи инструкций.

Во время своей работы обработчик прерываний имеет полный доступ к оборудованию (поскольку является частью привилегированного потока), но другие вызовы ядра выполнять не может. Обработчик прерываний должен реагировать на аппаратное прерывание с максимально возможной скоростью, выполнять минимальный объем работы для обслуживания прерывания (чтение байта из универсального асинхронного приемопередатчика (UART) и т. д.) и, при необходимости, производить планирование потока с некоторым приоритетом для выполнения дальнейшей работы.

Максимальная задержка обработки прерывания для заданного аппаратного приоритета может быть непосредственно вычислена, исходя из значения задержки обработки прерывания, вносимой ядром, и максимального времени работы обработчика прерываний по каждому прерыванию, имеющему более высокий аппаратный приоритет, чем заданный обработчик. Поскольку приоритеты аппаратных прерываний могут переназначаться, самому важному прерыванию в системе можно присвоить наивысший приоритет.

Следует отметить, что вызов функции InterruptAttachEventQ не приводит к запуску обработчика прерываний. Вместо этого по каждому прерыванию генерируется заданное пользователем событие. Как правило, это событие приводит к планированию ожидающего потока, чтобы он мог выполнить основную работу. Прерывание автоматически маскируется после генерации события и должно в нужный момент явно демаскироваться потоком, обслуживающим устройство.

Таким образом, приоритет работы, осуществляемой по аппаратным прерываниям, может регулироваться самой операционной системой, а не оборудованием. Источник прерывания не генерирует нового прерывания до тех пор, пока не будет обслужено текущее, что позволяет управлять действием прерываний на критические секции программного кода и осуществлять высокоточное управление планированием.

Пользовательские процессы и потоки могут "перехватывать" не только аппаратные прерывания, но и различные "события" внутри микроядра. Когда происходит какое-либо из этих событий, ядро может вызвать указанную внешнюю функцию (upcall) в пользовательском потоке для обработки данного события. Например, при каждом вызове потока idle пользовательский поток может указать ядру сделать внешний вызов для реализации специальных режимов энергосбережения оборудования.

Механизм приоритетов (МП) показывает какие устройства нужно обслужить первыми. МП решает следующие задачи:

Фиксирует приоритет любой выполняемой процессором программы.

Идентифицирует ЗП от ВУ с максимальным приоритетом.

Разрешает прерывание программы при возникновении запроса с большим приоритетом.

Прерывание программы обслуживания прерываний называется вложенным прерыванием.

Рис. 6.4 Пример работы ЦП в режиме вложенных прерываний.

На рис 6.4 показан пример вложенного прерывания:

До t 1 нет ЗП

t 1 → ЗП от ВУ4

t 2 → ЗП от ВУ3

t 3 → ЗП от ВУ2

t 4 → закончено обслуживание ВУ2

t 5 → ЗП от ВУ1

t 6 → закончено обслуживание ВУ1

t 7 → закончено обслуживание ВУ3

t 8 → закончено обслуживание ВУ4

Недостаток: При большой частоте поступления ЗП ЦП работает неэффективно, т.к. много времени ЦП расходуется на ЗП, восстановление регистров процессора, переход от одной программы к другой.

Можно уменьшить частоту ЗП путем включения буферных ЗУ.

При присвоении приоритетов ВУ учитываются следующие условия:

Чем больше быстродействие устройства, тем выше приоритет ему присваивается.

Наивысший приоритет присваивается устройству, данные от которого не могут быть восстановлены (обычно таймер).

В ЭВМ семейства Macintosh приоритет программы указывается во втором слове ВП.

В ЭВМ семейства IBM PC приоритет программы устанавливается с помощью специальной БИС (большая интегральная схема) – программируемый контроллер прерываний.

Техническая реализация многоуровневых вложенных приоритетных векторных прерываний в ЭВМ на основе единого магистрального канала обмена данными.

Реализация многоуровневых ВП в ЭВМ семейства IBM .

Для Реализация многоуровневых ВП в ЭВМ семейства IBM применена БИСIntel 8259A .

Технические характеристики бис Intel 8259a.

Число уровней ЗП = 8.

Количество уровней можно расширить до 64 за счет каскадного включения микросхем

Режим обслуживания ЗП, уровни приоритетов, АВП устанавливаются программным путем.

Техническая реализация приоритетных векторных прерываний в ЭВМ с изолированными магистральными каналами обмена данными (семейство IBM AT ): режимы работы программируемого контроллера прерываний (ПКП),

схема подключения ПКП к системной магистрали,

Схема включения ПКП к системной шине ВУ.

Рис. 6.7 Схема включения ПКП к системной шине и ВУ.

Назначение выводов БИС:

D 7- D 0 – выводы ШД, служат для приема управляющее информации от ЦП и передачи статусной информации в ЦП.

A 0 – адресный вход, адресация внутренних регистров контроллера (2 адреса).

~ CS (chip select ) - выбор кристалла, разрешает или запрещает связь контроллера с системной шиной.

• ~CS = 0 – есть связь, ~CS = 1 – нет связи.

Первый ПКП использует адреса – 20 h , 21 h .

Второй ПКП использует адреса – A 0 h , A 1 h .

~ RD , ~ WR – ввод, вывод (сигналы ШУ), соединяются с линиями магистрали~ IOR и ~ IOW .

INT (выход) – сигнал ЗП в ЦП.

~INTA (interrupt acknowledge) – сигнал РП от ЦП.

CAS 2, CAS 1, CAS 0 – шина каскадирования. Для ведущего контроллера прерывания эти линии являются выходами, а для ведомого – входами.

~ SP /~ EN – указывает ведущий (1) или ведомый (0) ПКП.

IR 0... IR 7 – входы запросов прерывания от ВУ.

функциональный состав и программная модель ПКП.

Важнейшими характеристиками системы прерываний является глубина прерываний и приоритет. В ЭВМ существует одноуровневая и многоуровневая система прерываний. В одноуровневых системах нет реакции при обработке прерываний на сигналы других поступающих прерываний. Удовлетворение запросов на прерывание в таких системах осуществляется только после завершения обработки ранее возникшего прерывания. В современных ПК используются многоуровневые системы, допускающие прерывания различной глубины. Глубина прерываний - это максимальное число программ ISR, которые могут прерывать друг друга. При этом, если глубина прерываний п, то может быть прервано п подпрограмм. Глубина возможных прерываний зависит от класса решаемых задач и определяется организацией очередности обработки прерываний. Одновременно поступившие запросы на прерывания на регистр прерываний МП, обрабатываются по принципу приоритетности. В первую очередь обслуживаются прерывания с наивысшим приоритетом. При поступлении запросов на прерывание соответствующий триггер в регистре прерываний устанавливается в 1. Перед завершением выполнения очередной команды МП опрашивает регистр прерываний. Очередность реализации запросов на прерывание устанавливается в порядке приоритета, заранее присвоенного каждому типу прерывания. Присвоение приоритета представляет собой сложную задачу, при решении которой необходимо учитывать важность и срочность обслуживания тех или иных прерываний. Обычно наивысшим приоритетом обладают прерывания от схем управления энергопотреблением и по машинной ошибке.

Прерывание подпрограмм ISR называется вложением прерываний. Для организации вложенных прерываний в каждой подпрограмме обслуживания прерываний необходимо выполнить:

1. разрешить прерывание по команде EI

2. временно запомнить приоритет прерванной программы

3. загрузить в схему приоритетных прерываний новый текущий приоритет

4. обслужить это прерывание

5. восстановить прежний приоритет

6. восстановить прерванную программу (командой IRET)

Аппаратные прерывания:

Внутренние (от процессора и сопроцессора)

Внешние:

Маскируемые

Немаскируемые

Программно-вызываемые прерывания

К внутренним прерываниям можно отнести и программно-вызываемые пре­рывания. Внутренние прерывания МП генерируются при возникновении особых условий при выполнении текущей команды (пример: деление на нуль переполнение разрядной сетки и т.п.).

Програмно-вызываемые прерывания выполняются под действием команды INT, и в этом случае действия МП аналогичны вызову программы ISR, т.е. сохранение в стеке адреса возврата, передача управления по указанному ад­ресу, но имеются и некоторые отличия:

A) выполняется прерывание, помещенное в стек и в регистре флагов сбрасы­вается в 0 бит IF (разрешения обработки прерываний).

Б) вместо адреса вызываемой подпрограммы аргументом вызова является номер вектора прерываний.

B) по окончании выполнения процедуры програмно-вызываемого прерыва­ния процессор извлекает из стека кроме адреса возврата и сохраненное зна­чение регистра флагов. Программо-вызываемые прерывания позволяют лег­ко и быстро вызывать процедуры из любого сегмента памяти, не применяядальних вызовов. Например, программное прерывание INT3 традиционно используется в целях отладки программ для создания точки останова и оно вызывается однобайтной инструкцией.