10.10. Обработка прерываний

Компьютеры семейства IBM PC/XT реализуют обработку прерываний просто (хотя и ограничивая при этом гибкость), используя интегральную микросхему контроллера прерываний типа 8259, установленную на базовой плате. Эта микросхема выполняет основной объем работы, которая включает в себя определение приоритетов, маскирование и выбор векторов прерываний (мы опишем это после примера, приведенного ниже). Со своей стороны ЦП определяет, что наступило прерывание и реагирует на это сохранением указателя команд и регистра флагов, а также запрещением дальнейших прерываний, а затем - совершая переход по соответствующему адресу, записанному в области векторов прерываний в начальных ячейках памяти. Ваша программа обработки прерываний делает остальное, а именно: а) сохраняет с помощью команды push все регистры, которые вы собираетесь использовать (напомним, что прерываемая программа не может заранее подготовиться к прерыванию, поскольку оно может произойти в любой момент во время выполнения программы как гром среди ясного неба); б) выясняет, при необходимости, с помощью чтения одного или нескольких регистров состояний, что именно требуется выполнить; в) выполняет это; г) восстанавливает ранее сохраненные регистры из стека; д) сообщает микросхеме 8259, что все сделано (передавая байт признака завершения прерывания и, наконец, е) выполняет возврат из прерывания - команду IRET, что заставляет ЦП восстановить содержимое прежнего регистра флагов, сохраненное предварительно в стеке и передать управление (использовав прежнее, также предварительно сохраненное в стеке значение указателя команд) обратно в ту программу, выполнение которой было прервано. Где-то в программе вы должны ж) загрузить адрес программы - обработчика прерываний по адресу вектора прерываний, соответствующего уровню IRQ, используемого аппаратной частью компьютера, и сообщить контроллеру прерываний 8259 о том, что необходимо разрешить прерывание указанного уровня.

Программа 10.5 демонстрирует программирование клавиатуры с использованием прерываний. Вот общая схема: главная процедура выполняет необходимые предустановки, а затем в цикле прерывает значение флага (программного, не аппаратного), который устанавливает обработчик прерываний, обнаружив код «возврата каретки»; когда главная процедура замечает, что флаг установлен, она переходит к заданным действиям над строкой, а затем происходит возврат к циклу проверки флага. Обработчик прерываний, в который передается управление при каждом прерывании, заносит символ в буфер строки, устанавливает флаг, если символ оказался «возвратом каретки» и возвращает управление.

Давайте более пристально посмотрим на программу. После задания адреса порта и адреса вектора прерываний IRQ2 она выделяет 100 байт под буфер строки (первоначально буфер заполняется нулями). Собственно выполнение программы начинается с занесения адреса буфера в адресный Х) регистр SI, обнуление флага конца строки, и помещения адреса обработчика прерываний (который начинается с KBINT) в ячейку . Для того чтобы разрешить контроллеру прерываний 8259 прерывания уровня, обнулим бит 2 маски (команды IN, AND, OUT); затем разрешим прерывания ЦП и передадим единицу в KBFLAG, что приводит к разрешению трехстабильного драйвера. Теперь можно работать.

После этого программа выполняет цикл, а прямо под «носом» главной процедуры скрыто обрабатывается прерывание до тех пор, пока не будет обнаружено, что загадочным образом установился. Флаг и указатель буфера немедленно устанавливаются в исходное состояние (на тот случай, если придет следующее прерывание), затем строка «проглатывается». Хорошим советом было бы пожелать либо быстрее выполнять программу, либо скопировать строку в другой буфер, поскольку через несколько миллисекунд может произойти другое прерывание (сопровождаемое занесением нового байта в буфер), однако за это время можно выполнить несколько тысяч команд, что более чем достаточно для копирования строки.

Обработчик прерываний является отдельной программой, которая не входит в главную процедуру. Он активизируется с помощью прерывания уровня через свой адрес, который, в свою очередь, заранее был загружен по адресу . Обработчик в точности знает, что должно быть сделано, и делает это безропотно: он сохраняет содержимое регистра АХ (поскольку планирует разнести последнее вдребезги), считывает символ из порта данных клавиатуры, заносит этот символ в буфер, инкрементирует указатель, дополнительно отображает символ на экран (в эхо - режиме), устанавливает флажок (если был введен символ возврата каретки), посылает сигнал об окончании прерывания контроллеру 8259, восстанавливает содержимое регистра АХ и возвращает управление.

Если вы еще раз взглянете на приведенный выше перечень действий, выполняемых обработчиком, то можно заметить, что мы не упомянули только один этап, а именно, считывание флажков состояний, которые позволяют выяснить, какие из нескольких действий должны быть выполнены. В данном случае, поскольку существует единственная причина, вызывающая прерывание, а именно, запрос на ввод очередного символа с клавиатуры, чтение флажков не требуется. (Программист должен отчетливо понимать, при каких условиях происходит аппаратное прерывание и что требуется для его обработки.)

Несколько замечаний по поводу этой программы: во-первых, даже хотя мы и использовали прерывания, программа выглядит столь же тупой, что и раньше - она постоянно выполняет цикл, проверяя состояние признака конца строки. Однако при необходимости можно организовать цикл и по-другому, если необходимо выполнять еще какие-то действия. Это и происходит на самом деле в нашей программе, в той ее части, которая начинается с метки LINE и выполняет вывод символа «звездочка»; в течение этого времени прерывания обеспечивают занесение новых символов в буфер, в то время как в нашем предыдущем примере без прерываний эти символы были бы потеряны.

Второе замечание можно сформулировать следующим образом: даже в том случае, когда мы используем прерывания, остается беспокойство, не выполняет ли программа какие-либо операции с предыдущей строкой в то время, когда следующая строка уже полностью введена. Конечно, в среднем, программа просто обязана не отставать от ввода с клавиатуры; тем не менее может возникнуть ситуация, при которой обработчик строки случайно затратит много времени, и вам потребуется временный буфер более чем на одну строку. Одно решение этой проблемы - скопировать информацию во второй буфер или поочередно обращаться к каждому из двух буферов. Изящной альтернативой является организация входного потока в виде очереди, устроенной как кольцевой буфер, в котором два указателя обеспечивают извлечение очередного входного символа, а предыдущий символ удаляется. Обработчик прерываний продвигает вперед входной указатель, а обработчик строки продвигает выходной указатель. Подобный кольцевой буфер как правило имеет емкость 256 байт, что позволяет поддерживать обработку нескольких строк.

Третье замечание относится к обработчику прерываний самому по себе. Обычно чем он короче и проще, тем лучше, например, в нем возможна установка флажков для указания на необходимость выполнения в главной процедуре более сложных операций. Если обработчик прерываний будет долго переводить дух после каждого прерывания, вы рискуете потерять данные, источником которых являются другие устройства, вырабатывающие прерывания, поскольку в то время, когда ЦП обрабатывает прерывание, другие прерывания запрещены.

В такой ситуации выход заключается в том, чтобы вновь разрешить обработку прерываний в вашем собственном обработчике командой STI после того, как будут выполнены критические отрезки программы, которые должны выполняться в первую очередь. Затем, если возникло прерывание, ваш обработчик прерываний будет сам прерван. Поскольку флажки и адреса возврата сохраняются в стеке, программа сумеет найти обратную дорогу, сначала в ваш обработчик, а затем в главную программу.