Михаил Тычков aka Hard
Доброго времени суток.
Давайте рассмотрим такую вот ситуевину: процессор обрабатывает какие-то данные, не важно какие. В этот момент у какого-нить устройства тоже появились данные для обработки. Че делать? Надо просить процессор, что бы тот соизволил обратить на просьбу внимание и решил бы, сейчас обрабатывать эти данные или потом. Так вот эта просьба и есть IRQ или прерывания (вообще-то существуют два типа прерываний: аппаратные (внешние) и программные (внутренние), но поскольку мой раздел называется «Железо и сети», то разговор я буду вести только об аппаратных прерываниях). Строго говоря IRQ – это каналы запросов прерывания, которые используются всевозможными девайсами для того, что бы сообщить процессору о том, что необходимо обработать определенный запрос. Физически, IRQ представляют собой отдельно проложенные линии (проводники) и соответствующие этим линиям контакты в интерфейсах. Все это находится, ессесно на материнской плате. Линии IRQ предназначены только для передачи запросов прерывания.
А ну-ка разберемся, как вся эта фигня с IRQ происходит. Итак, после получения запроса прерывания, камень сохраняет в стеке содержимое регистров. Затем он обращается к таблице векторов прерываний, где есть список адресов памяти программ, соответствующих определенным номерам прерываний. От номера прерывания зависит, какая программа будет запущена. В основном этими программами являются драйвера, относящиеся к устройствам, пославшим запрос (а уж драйвера туго знают свое дело и разберутся, что дальше делать). После всего этого, процедура обработки возвращает из стека то, с чем работал камень, а проще говоря, отдается управление системой той программе, что работала до запроса прерывания. И так постоянно. Сама таблица находится в оперативной памяти и состоит из 256 элементов по 4 байта и начинается с адреса 0000:0000. Занимает она 1024 Кбайт. Надеюсь, что Вы усвоили простую истину: если необходимо обработать хотя бы один новый байт от какого-либо устройства, необходимо сначала обработать IRQ этого устройства.
Что бы не было путаницы у IRQ есть иерархия или говоря другим языком – приоритеты. Чем меньше номер прерывания, тем выше приоритет и наоборот, чем больше номер прерывания, тем ниже приоритет. IRQ всего 16. Самый высокий приоритет у IRQ 0, а самый низкий у IRQ 15. Приведу таблицу иерархии:
Стандартная функция
Системный таймер
Контроллер клавиатуры
Программируемый контроллер прерываний
Последовательный порт COM 2
Последовательный порт COM 1
Стандартный контроллер гибких дисков
Параллельный порт LPT
CMOS и часы
Звуковая или сетевая карты или свободен
Свободен
USB или SCSI или свободен
PS/2 совместимый порт мыши
Сопроцессор
Основной контроллер IDE
Дополнительный контроллер IDE
А хотите посмотреть свои прерывания? Выберите «Пуск – Выполнить», наберите «msinfo32». В появившимся окне «Сведения о системе», слева, выберите вкладку «Ресурсы аппаратуры – Прерывания IRQ».
С прерываниями случаются и геморрои. Если произойдет генерация большого количества IRQ, то стек может переполниться и тогда…. тогда Вы потянитесь к кнопочке . Ежели такая фигня будет происходить часто, то необходимо в файле Config.sys увеличить параметр Stacks. Кроме, этого двум различным устройствам PCI может быть назначено одно и то же прерывание. Теоретически такое не должно происходить, но вот на практике случается. В этом случае Вам придется самому назначить прерывание одному из заглючивших устройств. Как это сделать? Жмем . Выскакивает окно «Свойства: Система». Выбираем вкладку «Устройства», ищем в списке то устройство, IRQ которого будем подправлять и жмем на него пару раз мышью. Выскочит окно его свойств, где выберем вкладку «Ресурсы» и снимем галку «Автоматическая настройка». Затем чуть ниже выбираем «Запрос на прерывания» и кликаем опять два раза мышью. Появится окно, где можно изменить номер IRQ. Ни фиг себе и сложно. Но… Назначать прерывания надо с умом. Сверьтесь с таблицей: какие IRQ для чего предназначены. Посмотрите у себя, какие свободны. Может так случится, что свободных прерываний у Вас и не будет. Думаете – все, жопа? Нет! Новых IRQ Вы конечно не добавите, но подумайте, все ли устройства Вам необходимы. Например, как часто Вы используете порты COM. Я ими последние года три не пользуюсь вообще. Ну и на фиг их из системы. Это можно сделать из BIOS. И вот Вам свободные IRQ. Короче, в решении подобной проблемы надо приложить голову и все у Вас получится. А всяких там кулых спецов хочу предупредить сразу - не пишите мне письма типа: «После твоей статьи клиенты пачками стали нести к нам в магазин компы с развороченными настройками!». Я не отвечаю за действия людей, у которых голова и руки растут из того же места, что и ноги. Когда-то я и сам в этом ни черта не смыслил, но ведь разобрался же. Причем мне никто ничего не объяснял. Дорогу осилит идущий!
Двигаемся дальше. Вообще, следует отметить, что каналы запросов прерывания относятся к системным ресурсам. Дам короткое но очень меткое определение: системными ресурсами называются коммуникационные каналы, адреса и сигналы, используемые узлами компьютера для обмена данными с помощью шин. Вот так вот просто и понятно. К системным ресурсам кроме IRQ относятся: адреса памяти, каналы прямого доступа к памяти и адреса портов ввода/вывода. Но об этом в других статьях. А на сегодня все. Удачи в Ваших начинаниях.
Для обработки событий, происходящих асинхронно по отношению к выполнению программы, лучше всего подходит механизм прерываний .
Прерывание можно рассматривать как некоторое особое событие в системе, требующее моментальной реакции. Например, хорошо спроектированные системы повышенной надежности используют прерывание по аварии в питающей сети для выполнения процедур записи содержимого регистров и оперативной памяти на магнитный носитель, с тем чтобы после восстановления питания можно было продолжить работу с того же места.
Кажется очевидным, что возможны самые разнообразные прерывания по самым различным причинам. Поэтому прерывание рассматривается не просто как таковое, с ним связывают число, называемое номером типа прерывания или просто номером прерывания. С каждым номером прерывания связывается то или иное событие. Система умеет распознавать, какое прерывание, с каким номером произошло и запускает соответствующую этому номеру процедуру.
Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. Это так называемые программные прерывания. Программные прерывания не являются асинхронными, так как вызываются из программы (а она-то знает, когда она вызывает прерывание!).
Программные прерывания удобно использовать для организации доступа к отдельным, общим для всех программ модулям. Например, программные модули операционной системы доступны прикладным программам именно через прерывания, и нет необходимости при вызове этих модулей знать их текущий адрес в памяти. Прикладные программы могут сами устанавливать свои обработчики прерываний для их последующего использования другими программами. Для этого встраиваемые обработчики прерываний должны быть резидентными в памяти.
Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и приходят асинхронно. Эти прерывания информируют систему о событиях, связанных с работой устройств, например о том, что наконец-то завершилась печать символа на принтере и неплохо было бы выдать следующий символ, или о том, что требуемый сектор диска уже прочитан его содержимое доступно программе. Использование прерываний при работе с медленными внешними устройствами позволяют совместить ввод/вывод с обработкой данных в центральном процессоре и в результате повышает общую производительность системы. Некоторые прерывания (первые пять в порядке номеров) зарезервированы для использования самим центральным процессором на случай каких-либо особых событий вроде попытки деления на ноль, переполнения и т.п.
Иногда желательно сделать систему нечувствительной ко всем или отдельным прерываниям. Для этого используют так называемое маскирование прерываний . Но некоторые прерывания замаскировать нельзя, это немаскируемые прерывания.
Заметим еще, что обработчики прерываний могут сами вызывать программные прерывания, например, для получения доступа к сервису BIOS или DOS (сервис BIOS также доступен через механизм программных прерываний).
Составление собственных программ обработки прерываний и замена стандартных обработчиков DOS и BIOS является ответственной и сложной работой. Необходимо учитывать все тонкости работы аппаратуры и взаимодействия программного и аппаратного обеспечения. При отладке возможно разрушение операционной системы с непредсказуемыми последствиями, поэтому надо очень внимательно следить за тем, что делает Ваша программа.
Для того чтобы связать адрес обработчика прерывания с номером прерывания, используется таблица векторов прерываний , занимающая первый килобайт оперативной памяти - адреса от 0000:0000 до 0000:03FF. Таблица состоит из 256 элементов - FAR-адресов обработчиков прерываний. Эти элементы называются векторами прерываний . В первом слове элемента таблицы записано смещение, а во втором - адрес сегмента обработчика прерывания.
Прерыванию с номером 0 соответствует адрес 0000:0000, прерыванию с номером 1 - 0000:0004 и т.д.
Инициализация таблицы происходит частично BIOS после тестирования аппаратуры и перед началом загрузки операционной системой, частично при загрузке DOS. DOS может переключить на себя некоторые прерывания BIOS.
Рассмотрим содержимое таблицы векторов прерываний. Приведем назначение некоторых наиболее важных векторов:
|
Описание |
|
|
Ошибка деления. Вызывается автоматически после выполнения команд DIV или IDIV, если в результате деления происходит переполнение (например, при делении на 0). DOS обычно при обработке этого прерывания выводит сообщение об ошибке и останавливает выполнение программы. Для процессора 8086 при этом адрес возврата указывает на следующую после команды деления команду, а в процессоре 80286 - на первый байт команды, вызвавшей прерывание. |
|
|
Прерывание пошагового режима. Вырабатывается после выполнения каждой машинной команды, если в слове флагов установлен бит пошаговой трассировки TF. Используется для отладки программ. Это прерывание не вырабатывается после выполнения команды MOV в сегментные регистры или после загрузки сегментных регистров командой POP. |
|
|
Аппаратное немаскируемое прерывание. Это прерывание может использоваться по-разному в разных машинах. Обычно вырабатывается при ошибке четности в оперативной памяти и при запросе прерывания от сопроцессора. |
|
|
Прерывание для трассировки. Это прерывание генерируется при выполнении однобайтовой машинной команды с кодом CCh и обычно используется отладчиками для установки точки прерывания. |
|
|
Переполнение. Генерируется машинной командой INTO, если установлен флаг OF. Если флаг не установлен, то команда INTO выполняется как NOP. Это прерывание используется для обработки ошибок при выполнении арифметических операций. |
|
|
Печать копии экрана. Генерируется при нажатии на клавиатуре клавиши PrtScr. Обычно используется для печати образа экрана. Для процессора 80286 генерируется при выполнении машинной команды BOUND, если проверяемое значение вышло за пределы заданного диапазона. |
|
|
Неопределенный код операции или длина команды больше 10 байт (для процессора 80286). |
|
|
Особый случай отсутствия математического сопроцессора (процессор 80286). |
|
|
IRQ0 - прерывание интервального таймера, возникает 18,2 раза в секунду. |
|
|
IRQ1 - прерывание от клавиатуры. Генерируется при нажатии и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных от клавиатуры. |
|
|
IRQ2 - используется для каскадирования аппаратных прерываний в машинах класса AT. |
|
|
IRQ3 - прерывание асинхронного порта COM2. |
|
|
IRQ4 - прерывание асинхронного порта COM1. |
|
|
IRQ5 - прерывание от контроллера жесткого диска для XT. |
|
|
IRQ6 - прерывание генерируется контроллером флоппи-диска после завершения операции. |
|
|
IRQ7 - прерывание принтера. Генерируется принтером, когда он готов к выполнению очередной операции. Многие адаптеры принтера не используют это прерывание. |
|
|
Обслуживание видеоадаптера. |
|
|
Определение конфигурации устройств в системе. |
|
|
Определение размера оперативной памяти в системе. |
|
|
Обслуживание дисковой системы. |
|
|
Последовательный ввод/вывод. |
|
|
Расширенный сервис для AT-компьютеров. |
|
|
Обслуживание клавиатуры. |
|
|
Обслуживание принтера. |
|
|
Запуск BASIC в ПЗУ, если он есть. |
|
|
Обслуживание часов. |
|
|
Обработчик прерывания Ctrl-Break. |
|
|
Прерывание возникает 18.2 раза в секунду, вызывается программно обработчиком прерывания таймера. |
|
|
Адрес видеотаблицы для контроллера видеоадаптера 6845. |
|
|
Указатель на таблицу параметров дискеты. |
|
|
Указатель на графическую таблицу для символов с кодами ASCII 128-255. |
|
|
Используется DOS или зарезервировано для DOS. |
|
|
Прерывания, зарезервированные для пользователя. |
|
|
Не используются. |
|
|
IRQ8 - прерывание от часов реального времени. |
|
|
IRQ9 - прерывание от контроллера EGA. |
|
|
IRQ10 - зарезервировано. |
|
|
IRQ11 - зарезервировано. |
|
|
IRQ12 - зарезервировано. |
|
|
IRQ13 - прерывание от математического сопроцессора. |
|
|
IRQ14 - прерывание от контроллера жесткого диска. |
|
|
IRQ15 - зарезервировано. |
|
|
Не используются. |
|
|
Зарезервированы для BASIC. |
|
|
Используются интерпретатором BASIC. |
|
|
Конфликт - это ситуация, при которой несколько объектов одновременно пытаются получить доступ к ресурсу, который предназначен только для одного из них. Конфликт прерываний возникает в том случае, если несколько устройств используют одну и ту же линию прерывания для посылки сигнала запроса, и нет механизма, позволяющего обрабатывать конкурирующие запросы. Если драйвер, получая управление, работает не с тем устройством, которое послало запрос, то либо происходит сбой, либо одно из устройств попросту не работает. Возникает вопрос: могут ли несколько устройств использовать одну и ту же линию прерывания, или это в принципе невозможно? Ведь если драйвер сможет определить, от кого именно пришел запрос, то он будет реагировать на сигналы только "своего" устройства, игнорируя все остальные. Но это должно быть каким-либо образом заранее оговорено, иначе конфликт неизбежен. Локальная шина PCI была спроектирована с учетом совместного использования прерываний. Каждое устройство PCI должно корректно работать на одной линии прерывания с другими PCI-устройствами. Это сделано следующим образом: факт наличия сигнала на линии прерывания определяется не по фронту, т.е. изменению уровня напряжения, а по самому факту наличия определенного напряжения. Изменять напряжение в линии может сразу несколько устройств, становясь как бы в очередь на обслуживание. Таким образом, совместное использование одного IRQ несколькими PCI-устройствами не является конфликтом по определению (рис.). Однако иногда проблемы все-таки возникают. Во-первых, не все устройства PCI корректно работают на одной линии прерывания с другими. Во-вторых, иногда драйверы имеют ошибки, из-за которых они не могут правильно определять источник сигнала, мешая другим драйверам. В-третьих, далеко не все устройства работают на шине PCI; например, ISA-устройства, к которым относятся, например, контроллеры COM/LPT-портов, делить прерывания с другими не умеют. Рис. Win2000 Device Manager IRQ Map - IO PIC Intel 440BX Chipset
Рис. Win2000 IRQ MAP - IO APIC - Via KT266a Chipset В результате возможны ситуации, когда компьютер начинает часто зависать, отказывается выполнять какие-либо функции, а то и просто вываливается в так называемый «синий экран смерти». Apic (Advanced Programmable Interrupt Controller, Улучшенный программируемый контроллер прерываний)Как было показано выше, линия прерывания – очень дефицитный ресурс для компьютера. Однако, с развитием компьютерной индустрии количество различных внешних устройств в компьютере постоянно увеличивается. Например, на одной материнской плате могут присутствовать 5-6 слотов PCI, слот AGP, встроенный IDE-контроллер, встроенный SCSI-контроллер, встроенный 1/2-портовый сетевой адаптер и пр. И всем этим устройствам необходимы прерывания. 16 линий IRQпостепенно стало не хватать. APIC – это контроллер прерываний (interrupt), позволяющий использовать 24 аппаратных прерывания вместо 16. Ограничение в 16 аппаратных прерываний, не менявшееся с 1982 года, сдерживало установку в персональный компьютер дополнительных устройств. В конце 2001 года появились первые материнские платы с APIC.
Рис. Система прерываний в многопроцессорной среде. Предыдущее описание относилось к PIC, разработанным для однопроцессорных систем. Если система включает два и более процессоров, этот подход уже непозволителен и требуются более сложные PIC. Все современные процессоры x86 включают в себя локальный APIC (local APIC). Каждый local APIC имеет 32-разрядные регистры, внутренние часы, локальный таймер и две дополнительные линии IRQ: LINT0 и LINT1, зарезервированные для прерываний local APIC. Все локальные APIC соединены с внешним APIC ввода-вывода (I/O APIC). I/O APIC содержит набор из 24 линий IRQ, 24-входовую таблицу перенаправления прерываний, программируемые регистры и блок сообщений для посылки и получения сообщений по шине APIC. В отличие от выводов IRQ микросхемы 8259A, приоритет прерывания не привязан к номеру вывода. Каждая запись в таблице перенаправления прерываний может быть запрограммирована индивидуальна, чтобы отобразить вектор прерывания и его приоритет, процессор, который будет обрабатывать прерывание и как этот процессор будет выбран. Информация в таблице перенаправления прерываний используется для трансляции каждого внешнего сигнала в сообщение, адресованное одному или нескольким local APIC через шину APIC. Статическое распределение Сигнал IRQ доставляется локальным APIC, перечисленным в соответствующей записи таблицы перенаправления прерываний. Прерывание доставляется одному конкретному CPU, множеству CPU или всем CPU. Динамическое распределение Сигнал IRQ доставляется локальному APIC процессора, который выполняет процесс с наименьшим приоритетом. Каждый локальный APIC имеет программируемый регистр приоритета задания, который используется для вычисления приоритета текущего процесса. Intel предполагает, что этот регистр будет модифицироваться ядром операционной системы при каждом переключении процесса. Кроме распределения прерываний по процессорам мульти-APIC система позволяет CPU генерировать межпроцессорные прерывания. Когда CPU желает послать прерывание другому CPU, он сохраняет вектор прерывания и идентификатор целевого local APIC в коммандном регистре прерываний (Interrupt Command Register (ICR)) своего локального APIC. Тогда сообщение посылается через шину APIC к целевому local APIC, который выпускает соответствующее прерывание своему CPU. В настоящее время множество однопроцессорных систем включают чип I/O APIC, который может быть сконфигурирован двумя способами: 1. Как стандартный 8259A PIC, связанный с CPU. Local APIC отключен и две линии LINT0 и LINT1 сконфигурированы как INTR и NMI выводы. 2. Как стандартный внешний I/O APIC. Local APIC включен и все внешние прерывания получаются через I/O APIC. Вероятно, наиболее распространенный конфликт прерываний (IRQ) связан с интегрированным последовательным портом COM2, существующим в современных системных платах, и внутренним модемом (имеется в виду полноценный внутренний PC-модем, а не программный модем, который также называется WinModem). Дело в том, что в полноценном внутреннем модеме уже есть поддержка некоторого порта; по умолчанию этот порт назначается в COM2, при этом в системе также обычно включен второй последовательный порт. Таким образом, в системе оказывается два идентичных порта, использующих одни и те же ресурсы (прерывания и адреса порта ввода-вывода). Решить эту проблему довольно просто: следует войти в BIOS Setup системы и отключить встроенный порт COM2. Кроме того, можно подумать об отключении порта COM1, который также используется крайне редко. Отключение неиспользуемых портов СОМх - один из лучших способов высвобождения прерываний (IRQ) для других устройств. Еще один распространенный конфликт также связан с последовательными портами. В стандартной таблице распределения прерываний вы, наверное, заметили, что IRQ3 назначается порту COM2, а IRQ4 - порту COM1. Проблема возникает тогда, когда в систему добавляются дополнительные порты COM3 и/или COM4 и им не назначаются вручную свободные прерывания (по умолчанию они используют все те же IRQ3 и IRQ4). Дополнительные сложности вносит то, что некоторые платы портов не допускают выбора прерываний, отличных от IRQ3 и IRQ4. В результате назначение IRQ3 порту COM4 и IRQ4 порту COM3 приводит к конфликту с портами COM1 и COM2, также использующими эти прерывания: два порта не могут одновременно использовать один и тот же канал управления прерываниями. При работе в DOS это допускалось, поскольку в ней одновременно могла выполняться только одна задача, но в Windows и OS/2 это совершенно невозможно. Для того чтобы в компьютере можно было применять более двух параллельных портов COM, необходима многопортовая плата, которая, помимо прерываний с номерами 3 и 4, позволяет использовать дополнительные прерывания. Совместное использование прерываний в принципе допустимо для устройств, которые в обычных условиях не работают одновременно (или постоянно). Порты не попадают в эту категорию устройств. Совместно можно применять прерывание для сканера и модема, однако и в этом случае, если они будут использоваться одновременно, возникнет конфликт. К счастью, большинство устройств, которые ранее использовали порты (например, мыши, принтеры этикеток и внешние модемы), теперь подключаются к портам USB , так что проблем с необходимостью поддержки множества портов у современных пользователей компьютеров возникать не должно. Если все же необходимо использовать несколько последовательных портов, лучшим решением станет покупка многопортовой платы, которая либо предоставляет возможность установить неконфликтующие прерывания, либо содержит собственный процессор, позволяющий распределять одно системное прерывание между несколькими портами. Некоторые старые многопортовые карты имели интерфейс ISA, но сегодня их вытеснили карты PCI , которые к тому же имеют преимущества в быстродействии. Если некоторое устройство, упомянутое в таблице, отсутствует (например, встроенный порт мыши (IRQ12) или второй параллельный порт (IRQ5)), их прерывания можно считать доступными. К примеру, второй параллельный порт можно встретить крайне редко, так что отведенное для него прерывание IRQ5 чаще всего используется для платы звукового адаптера. Аналогично прерывание IRQ15 используется для вторичного контроллера IDE . Если в системе к вторичному каналу IDE не подключены дисковые устройства, можно отключить этот контроллер в BIOS, тем самым освободив еще одно прерывание для других устройств. Следует отметить, что проще всего проверить настройки прерыаний в диспетчере устройств Windows. В системе Windows 95b существует программа HWDIAG, а в Windows 98 и более поздних версиях - консоль Сведения о системе. Эти утилиты позволяют получить детальный отчет об использовании ресурсов в системе, а также об установленных драйверах устройств и записей реестра Windows для каждого из устройств. В системах Windows XP и Vista информацию о системе предоставляет программа Msinfo32. Чтобы обеспечить максимально возможное количество совместных прерываний в современной системе без разъемов ISA, при работе с системной BIOS выполните следующие действия.
Управление приоритетами IRQ Управление запросами на аппаратное прерываниеБольшинству компонентов, непосредственно присоединенных к системной плате, включая PCI-слоты, IDE-контроллеры, последовательные порты, порт клавиатуры даже CMOS системной платы, присвоены отдельные IRQ. Запрос на аппаратное прерывание, или IRQ, прерывает нормальный ход работы процессора, позволяя устройству функционировать. Windows 7 позволяет расположить по приоритету один или более IRQ (которые преобразовываются в одно или более устройств), потенциально улучшая производительность этих устройств. Действия для изменения приоритета IRQ
Понравилось?Нажмите на кнопку, если статья Вам понравилась, это поможет нам развивать проект. Спасибо! |
