Назначение системы прерываний ЭВМ. Синхронные и асинхронные,внутренние и внешние прерывания.

Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств машины. Включает устройство в работу центральный процессор. Он передает устройству команду и все необходимые для ее исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций.

Назначение системы прерывания программ – оперативно реагировать на определенные события, происходящие внутри и вне ЭВМ, путем выполнения специальной операции прерывания. Под операцией прерывания понимается (временное) прерывание процесса выполнения текущей программы и переключение процессора на выполнение другой программы, обслуживающей данную причину прерывания. По завершении обслуживания прерывания прерванный процесс должен быть продолжен с того момента, в котором он был прерван. С этой целью в момент прерывания процесса необходимо запомнить (сохранить) всю информацию, необходимую для его возобновления после обработки прерывания, т. е. информацию о состоянии процесса выполнения программы в момент прерывания.

Прерывание — сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передаётся обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код Событием называется сигнал, поступающий в процессор в результате возникновения особого случая при выполнении команды или при работе с внешним оборудованием. Реакцией на событие является передача управления на программу, ответственную за обработку данного события. При этом в большинстве случаев сохраняется информация о состоянии прерванной задачи для того, чтобы можно было возобновить ее исполнение, если это возможно, либо завершить ее, освободив принадлежащие ей ресурсы.

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:

§ асинхронные или внешние (аппаратные) — события, которые исходят от внешних источников (например, периферийных устройств) и могут произойти в любой произвольный момент: сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя, нажатие клавиш клавиатуры, движение мыши;

§ внутренние — события в самом процессоре как результат нарушения каких-то условий при исполнении машинного кода: деление на ноль или переполнение, обращение к недопустимым адресам или недопустимый код операции;

§ программные (частный случай внутреннего прерывания) — инициируются исполнением специальной инструкции в коде программы. Программные прерывания как правило используются для обращения к функциям встроенного программного обеспечения, драйверов и операционной системы.

Внешние прерывания, в зависимости от возможности запрета, делятся на:

маскируемые — прерывания, которые можно запрещать установкой соответствующих битов в регистре маскирования прерываний (в x86-процессорах — сбросом флага IF в регистре флагов);

немаскируемые (англ. Non-maskable interrupt, NMI) — обрабатываются всегда, независимо от запретов на другие прерывания. К примеру, такое прерывание может быть вызвано сбоем в микросхеме памяти.

§ Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим, поскольку во время их работы могут не обрабатываться другие прерывания, а если их будет много (особенно от одного источника), то они могут теряться. В Windows для этого применяется механизм отложенного вызова процедур.

Программное прерывание — синхронное прерывание, которое может осуществить программа с помощью специальной инструкции.

В процессорах архитектуры x86 для явного вызова синхронного прерывания имеется инструкция Int, аргументом которой является номер прерывания (от 0 до 255). В IBM PC-совместимых компьютерах обработку некоторых прерываний осуществляют подпрограммы BIOS, хранящиеся в ПЗУ, и это служит интерфейсом для доступа к сервису, предоставляемому BIOS. Также, обслуживание прерываний могут взять на себя BIOS карт расширений (например, сетевых или видеокарт), операционная система и даже обычные (прикладные) программы, которые постоянно находятся в памяти во время работы других программ (т. н. резидентные программы). В отличие от реального режима, в защищённом режиме x86-процессоров обычные программы не могут обслуживать прерывания, эта функция доступна только системному коду (операционной системе).

MS-DOS использует для взаимодействия со своими модулями и прикладными программами прерывания с номерами от 20h до 3Fh (числа даны в шестнадцатиричной системе счисления, как это принято при программировании на языке ассемблера x86). Например, доступ к основному множеству функций MS-DOS осуществляется исполнением инструкции Int 21h (при этом номер функции и её аргументы передаются в регистрах). Это распределение номеров прерываний не закреплено аппаратно и другие программы могут устанавливать свои обработчики прерываний вместо или поверх уже имеющихся обработчиков, установленных MS-DOS или другими программами, что, как правило, используется для изменения функционала или расширения списка системных функций. Также, этой возможностью пользуются вирусы

Внешние прерывания, в зависимости от возможности запрета, делятся на:

маскируемые — прерывания, которые можно запрещать установкой соответствующих битов в регистре маскирования прерываний (в x86-процессорах — сбросом флага IF в регистре флагов);

немаскируемые (англ. Non-maskable interrupt, NMI) — обрабатываются всегда, независимо от запретов на другие прерывания. К примеру, такое прерывание может быть вызвано сбоем в микросхеме памяти.

Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим, поскольку во время их работы могут не обрабатываться другие прерывания, а если их будет много (особенно от одного источника), то они могут теряться. В Windows для этого применяется механизм отложенного вызова процедур.

Программные прерывания вызываются специальной командой (в МП 80х86 это команда INT) и являются специфической формой вызова подпрограммы. В данном случае программа операционной системы вызывается по её номеру, заданному в виде операнда команды, а параметры передаются через регистры. Это позволяет любой программе обращаться к системным функциям, не зная адреса исполняющей их программы. Кроме того, пользовательская программа не требует модификации при изменении системного объекта-исполнителя.

Наличие системы прерываний позволяет организовать потоковый и интерактивный мультипрограммный режим работы, виртуальную память, обработку ошибок без останова вычислительного процесса, сетевые технологии и является неотъемлимой программно-аппаратной составляющей современных вычислительных комплексов и ОС.