 |
|
Тема 2. Базовая система ввода и вывода (BIOS). Прерывания BIOS. Прерывания клавиатура 9h. Скэн коды клавиш.
Содержания байтов 417Һ, 418Һ.
Во время выполнения ЭВМ текущей программы внутри машины и в связанной с ней внешней среде (например, в технологическом процессе, управляемом ЭВМ) могут возникать события, требующие немедленной реакции на них со стороны машины.
Реакция состоит в том, что машина прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению некоторой другой программы, специально предназначенной для данного события. По завершении этой программы ЭВМ возвращается к выполнению прерванной программы. Рассматриваемый процесс, называемый прерыванием программ. Принципиально важным является то, что моменты возникновения событий, требующих прерывания программ, заранее неизвестны и поэтому не могут быть учтены при программировании.
Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, оповещающим ЭВМ. Назовем эти сигналы запросами прерывания. Программу, затребованную запросом прерывания назовем прерывающей программой, противопоставляя ее прерываемой программе, выполнявшейся машиной до появления запроса.
Запросы на прерывания могут возникать внутри самой ЭВМ и в ее внешней среде. К первым относятся, например, запросы при возникновении в ЭВМ таких событий, как появление ошибки в работе ее аппаратуры, переполнение разрядной сетки, попытка деления на 0, выход из установленной для данной программы области памяти, затребование периферийным устройством операции ввода-вывода, завершение операции ввода-вывода периферийным устройством или возникновение при этой операции особой ситуации и др. Хотя. некоторые из указанных событий порождаются самой программой, моменты их появления, как правило, невозможно предусмотреть. Запросы во внешней среде могут возникать от других ЭВМ, от аварийных и некоторых других датчиков технологического процесса и т. п.
Возможность прерывания программ — важное архитектурное свойство ЭВМ, позволяющее эффективно использовать производительность процессора при наличии нескольких протекающих параллельно во времени процессов, требующих в произвольные моменты времени управления и обслуживания со стороны процессора. В первую очередь это относится к организации параллельной во времени работы процессора и периферийных устройств машины, а также к использованию ЭВМ для управления в реальном времени технологическими процессами.
Чтобы ЭВМ могла, не требуя больших усилий от программиста, реализовывать с высоким быстродействием прерывания программ, машине необходимо придать соответствующие аппаратурные и программные средства, совокупность которых получила название системы прерывания программ или контроллера прерывания.
Основными функциями системы прерывания являются:
1. запоминание состояния прерываемой программы и осуществление перехода к прерывающей программе;
2. восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней.
При наличии нескольких источников запросов прерывания должен быть установлен определенный порядок (дисциплина) в обслуживании поступающих запросов. Другими словами, между запросами (и соответствующими прерывающими программами) должны быть установлены приоритетные соотношения, определяющие, какой из нескольких поступивших запросов подлежит обработке в первую очередь, и устанавливающие, имеет право или не имеет данный запрос (прерывающая программа) прерывать ту или иную программу. Приоритетный выбор запроса для исполнения входит в процедуру перехода к прерывающей программе.
Назовем вектором прерывания вектор "начального состояния прерывающей программы. Вектор прерывания содержит всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный адрес. Каждому запросу (уровню) прерывания, а в ряде случаев, например в малых и микроЭВМ и микропроцессорах, каждому периферийному устройству соответствует свой вектор прерывания, способный инициировать выполнение соответствующей прерывающей программы. Векторы прерывания обычно находятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти.
Главное место в процедуре перехода к прерывающей программе занимают передача из соответствующего регистра (регистров) процессора в память (в частности, в стек) на сохранение текущего вектора состояния прерываемой программы (чтобы можно было вернуться к ее исполнению) и загрузка в регистр (регистры) процессора вектора прерывания прерывающей программы, к которой при этом переходит управление процессором.
Процедура организации перехода к прерывающей программе включает в себя выделение из выставленных запросов такого, который имеет наибольший приоритет.
Различают абсолютный и относительный приоритеты. Запрос, имеющий абсолютный приоритет, прерывает выполняемую программу и инициирует выполнение соответствующей прерывающей, программы. Запрос с относительным приоритетом является первым кандидатом на обслуживание после завершения выполнения текущей программы.
Если наиболее приоритетный из выставленных запросов прерывания не превосходит по уровню приоритета выполняемую процессором программу, то запрос прерывания игнорируется или его обслуживание откладывается до завершения выполнения текущей программы.
Простейший способ установления приоритетных соотношений между запросами (уровнями) прерывания состоит в том, что приоритет определяется порядком присоединения линий сигналов запросов ко входам системы прерывания. При появлении нескольких запросов прерывания первым воспринимается запрос, поступивший на вход с меньшим номером. В этом случае приоритет является жестко фиксированным. Изменить приоритетные соотношения можно лишь пересоединением линий сигналов запросов на входах системы прерывания.
Процедуры определения приоритетных запросов прерывания
Процедура прерывания с опросом источников (флажков) прерывания. При указанном способе задания приоритета между запросами каждому источнику запросов соответствует разряд (флажок) в регистре запросов прерывания (регистре флажков).
Прерывания: семейство процессоров Intel 80x86 и MS-DOS
Семейство микропроцессоров Intel 80x86 поддерживает 256 уровней приоритетных прерываний, вызываемых событиями трех типов:
1. внутренние аппаратные прерывания;
2. внешние аппаратные прерывания;
3. программные прерывания.
Внутренние аппаратные прерывания, иногда называемые отказами (faults), генерируются определенными событиями, возникающими в процессе выполнения программы, например попыткой деления на нуль. Закрепление за такими событиями опреденных номеров прерываний зашито в процессоре и не может быть изменено.
Внешние аппаратные прерывания инициируются контроллерами периферийного оборудования или сопроцессорами (например, 8087/80287). Источники сигналов прерываний. подключаются либо к выводу немаскируемых прерываний процессора (NMI) либо к выводу маскируемых прерываний (INTR). Линия NMI обычно предназначает для прерываний, вызываемых катастрофическими событиями, такими, как ошибки четности памяти или авария питания.
Программные прерывания. Любая программа может инициировать синхронное программное прерывание просто путем выполнения команды INT. MS-DOS использует для взаимодействия со своими модулями и прикладными программами прерывания от 20Н до 3FH. (Например, доступ к диспетчеру функций MS-DOS осуществляется выполнением Int 21Н.) Программы BIOS, хранящиеся в ПЗУ, и прикладные программы IBM PC используют другие прерывания, с большими или меньшими номерами. Это распределение номеров прерываний условно и никаким образом не закреплено аппаратно.
Таблица векторов прерываний.
Нижние (с меньшими адресами) 1024 байт системной памяти носят название таблицы векторов прерываний. Каждый 4-байтный элемент таблицы соответствует типу прерывания (от 0 до 0FFH) и содержит сегмент и относительный адрес обработчика прерывания данного уровня. Прерывания от 0 до 1FH (самые нижние уровни) используются как прерывания внутренней аппаратуры; MS-DOS использует прерывания от 20Н до 3FH, все остальные прерывания могут использоваться внешней аппаратурой, системными драйверами и прикладными программами.
Обслуживание прерываний. ЦП, обнаружив сигнал прерывания, помещает в машинный стек слово состояния программы (определяющее различные флаги ЦП), регистр программного сегмента (CS) и указатель команд (IP) и блокирует систему прерываний. Затем ЦП с помощью 8-разрядного числа, установленного на системной магистрали прерывающим устройством, извлекает из таблицы векторов адрес обработчика и возобновляет выполнение с этого адреса.
Обработчики прерываний и MS-DOS. Для установки корректных обработчиков прерываний таким образом, чтобы они не вступали в конфликт с функциями операционной системы или другими обработчиками прерываний, MS-DOS предоставляет специальные средства в виде функций программного прерывания Int 21H.
В системе MS-DOS на функционирование обработчиков внешних аппаратных прерываний накладывается ряд весьма жестких ограничений:
· В силу отсутствия свойства повторной входимости у версий MS-DOS обработчик аппаратных прерываний в процессе обработки прерывания не должен вызывать функции MS-DOS.
· Как только обработчик получает управление, он должен немедленно разблокировать прерывания, чтобы не нарушать работу других устройств и не снижать точность системных часов.
Ограничения, накладываемые на функционирование обработчиков прерываний, заменяющих стандартные обработчики MS-DOS для внутренних аппаратных прерываний или системных исключительных состояний (таких, как Ctrl-C или критическая ошибка), не столь жестки, однако программировать обработчики следует все же с большой осторожностью, чтобы не допустить разрушения системных таблиц или перевода операционной системы в неустойчивое состояние.
При составлении программы обработчика прерывания следует иметь в виду правила:
· Для модификации вектора прерывания использовать системные функции Int 21H; не записывать в таблицу прерываний непосредственно.
· Если ваша программа не единственный процесс в системе, использующий данный уровень прерываний, то после выполнения собственной обработки прерывания следует вернуться в предыдущий обработчик, к которому привязан ваш.
· Если ваша программа не остается резидентной в памяти, следует получить и сохранить текущее состояние вектора прерываний перед его модификацией, а по завершении программы - восстановить исходное содержимое.
· Если ваша программа остается резидентной в памяти, используйте одну из функций завершения и сохранения в памяти (предпочтительно Int 21H с функцией 31H), чтобы зарезервировать для вашего обработчика требуемый объем памяти.
· Если вы собираетесь обрабатывать аппаратные прерывания, следует, насколько возможно, сокращать время, в течение которого прерывания заблокированы, а также длину программы обработки прерывания.