Прерывания и особые случаиПрерывания текущей программы могут возникать по следующим трем причинам: □ внешний сигнал по входам INTR или NMI; □ аномальная ситуация, сложившаяся при выполнении конкретной команды и зафиксированная аппаратурой контроля; □ находящаяся в программе команда прерывания INT n. Первая из указанных выше причин относится к аппаратным прерываниям, а две другие — к программным. (Страница198) Программные прерывания, вызываемые причинами 2 и 3, называют обычно особыми случаями (иногда используют термин исключения). Особые случаи возникают, например, при нарушении защиты по привилегиям, превышении предела сегмента, делении на ноль и т. д. Все особые случаи классифицируются как нарушения, ловушки или аварии. Нарушение (fault) — этот особый случай процессор может обнаружить до возникновения фактической ошибки (например, нарушение правил привилегий или отсутствие сегмента в оперативной памяти). Очевидно, после обработки нарушения можно продолжить программу, осуществив рестарт виновной команды. Ловушка (trap) — обнаруживается после окончания выполнения виновной команды. После ее обработки процессор возобновляет действия с той команды, которая следует за "захваченной" (например, прерывание при переполнении или команда INT n). Большинство отладочных контрольных точек также интерпретируются как ловушки. Авария (abort) — приводит к потере контекста программы, ее продолжение невозможно. Причину аварии установить нельзя, поэтому осуществить рестарт программы не удается, ее необходимо прекратить. К авариям ("выходам из процесса") относятся аппаратные ошибки, а также несовместимые или недопустимые значения в системных таблицах. Общая реакция процессора на прерывания или особые случаи состоит в сохранении минимального контекста прерываемой программы (в стеке — адрес возврата и, может быть, некоторую дополнительную информацию), идентификации источника прерывания или особого случая и передаче управления соответствующему обработчику (программе, подпрограмме, задаче). Однако имеются принципиальные различия по формированию сохраняемого контекста. При возникновении нарушений в стек обработчика особого случая в качестве адреса возврата включается CS: EIP команды, вызвавшей нарушение. При распознавании ловушки (к ним относятся и большинство внешних прерываний) процессор включает в стек адрес возврата, относящийся к следующей за ловушкой команде. Наконец, при авариях содержательный адрес возврата отсутствует, поэтому рестарт задачи при авариях невозможен. Принцип реализации прерываний (внешних) и особых случаев (внутренних) в микропроцессорах фирмы Intel сохранился практически неизменным с МП 8086. В 8086 сигналы запросов на обработку прерываний формировались либо аппаратурой контроля процессора (внутренние прерывания), либо поступали из внешней среды на входы процессора INTR или NMI. При обнаружении (разрешенного) запроса в стек помещались текущие значения FLAGS, CS и IP. В процессе идентификации источника запроса ему ставился в соответствие восьмиразрядный двоичный код n — вектор прерывания, причем за каждым внутренним прерыванием и за внешним NMI жестко закреплялся свой вектор, а для запросов, поступивших по входу INTR, реализовывалась процедура ввода вектора с внешней шины. Далее, определенный вектор прерывания рассматривался как номер строки таблицы, располагающейся с нулевого физического адреса памяти. Четырехбайтовыми элементами этой таблицы были адреса CS: IP точек входа в подпрограммы — обработчики прерываний. Таким образом, в системе поддерживалось до 256 различных обработчиков прерываний, причем векторы 0 — 31 резервировались за внутренними прерываниями (и NMI), а остальные — для внешних прерываний. При идентификации источника запроса INTR выполняются следующие действия (при условии, что флаг IF=1, иначе запрос INTR игнорируется): 1. Генерируется два цикла шины для ввода вектора внешнего прерывания. 2. Помещается в стек содержимое регистра FLAGS. 3. Помещается в стек содержимое регистра CS. 4. Помещается в стек содержимое регистра IP. 5. Сбрасывается в 0 флаг разрешения внешних прерываний IF, запрещая восприятие новых запросов по входу INTR до явной установки флага IF в 1 командой sti. 6. По значению вектора n обращаются к n-му элементу таблицы векторов прерываний и из нее загружаются новые значения регистров CS: IP. 7. Начинается выполнения обработчика прерывания с точки входа, определяемой CS: IP. Сохраненное в стеке старое содержимое регистров CS: IP образует адрес возврата. Когда обработчик прерываний заканчивает свои действия, он должен выполнить команду возврата iret, которая, извлекая из стека содержимое FLAGS, CS, IP, возвращает управление прерванной программе. Механизм реализации внешних и внутренних прерываний МП 80486 и Pentium в R-режиме аналогичен описанному выше, однако в P-режиме он значительно усовершенствован: □ таблица векторов прерываний трансформирована в дескрипторную таблицу прерываний IDT (рис. 7.13); □ более сложен процесс перехода к обработчику прерывания или особого случая; □ обработчику передается дополнительная информация о причине возникновения особого случая.
Рис. 7.13. Дескрипторная таблица прерываний Механизм передачи управления обработчику особого случая (прерывания) соответствует обычному способу передачи управления через шлюз вызова. При этом процессор аппаратно включает в стек значения EFLAGS, CS: EIP (адрес возврата) прерываемой программы и, кроме того, в некоторых случаях — код ошибки и текущие значения SS, ESP (последние — при смене привилегий). Точное значение адреса возврата зависит от того, является ли особый случай нарушением, ловушкой или аварией. Первые 32 вектора зарезервированы за особыми случаями P-режима (табл. 7.1). Таблица 7.1. Особые случаи
Таблица 7.1 (окончание)
Примечание. * — включает в стек код ошибки. Дескрипторная таблица прерываний Дескрипторная таблица прерываний IDT является прямой заменой таблицы векторов прерываний процессора 8086. Она должна определять 256 обработчиков прерываний и особых случаев, поэтому ее максимальный размер составляет 256 x 8=2048 байтов. Таблица IDT может находиться в любой области памяти, процессор локализует ее с помощью 48-битного регистра IDTR, который содержит базовый адрес и предел таблицы. Таблицу не рекомендуется объявлять короче максимального размера, т. к. любое обращение за пределы таблицы вызывает нарушение общей защиты, а вектор внешнего прерывания, вообще говоря, может иметь любое значение в диапазоне 00 — FFh. В таблице IDT разрешается применять только три вида дескрипторов: шлюз ловушки, шлюз прерывания и шлюз задачи (но не дескриптор TSS). Шлюзы прерывания и ловушки имеют большое сходство со шлюзом вызова (см. рис. 7.9). Единственное отличие состоит в отсутствии в этих шлюзах 5-битового поля счетчика WC, которое в шлюзе вызова определяет число параметров, передаваемых в вызываемую подпрограмму через стек. Соответствующее поле в шлюзах прерывания и ловушки зарезервировано. (Страница202) Напомним, что шлюз вызова (а также ловушки и прерывания) содержит селектор сегмента кода и смещение внутри него, которые однозначно определяют точку передачи управления. Шлюз задачи содержит лишь селектор сегмента состояния задачи TSS (разумеется, каждый дескриптор содержит и байт доступа). После локализации сегмента кода обработчика особого случая и включения информации в стек, выполнение начинается с той команды, которая определяется смещением в шлюзе ловушки. Обработчик действует до тех пор, пока не достигнет команды iret. По этой команде процессор извлекает из стека адрес возврата и содержимое регистра флажков (а также 48-битный указатель внешнего стека, если при обработке особого случая происходила смена уровней привилегий). Если особый случай вызывается через шлюз прерывания, процессор сбрасывает флаг разрешения прерывания IF после включения в стек адреса возврата и содержимое регистра флажков, но до выполнения первой команды обработчика. При переходе через шлюз ловушки никакие флаги не изменяются. Обработка особого случая через шлюз задачи аналогична действию команды far call, приводящей к переключению задачи. Однако здесь невозможен прямой переход через дескриптор TSS, а требуется промежуточный шлюз задачи. С дескриптором шлюза задачи ассоциируется уровень привилегий, который не должен быть выше уровня привилегий прерываемой задачи. По существу, прерываемая задача как бы выполняет команду far call вызова другой задачи через шлюз задачи, и здесь действуют стандартные правила защиты по привилегиям. Обработка особого случая через шлюз задачи, т. е. в другой задаче, имеет определенные преимущества: □ автоматически сохраняется весь контекст прерванной задачи; □ обработчик особого случая не может исказить прерванную задачу, т. к. он полностью изолирован от нее; □ обработчик прерывания может работать на любом уровне привилегий и в заведомо правильной среде; он может иметь свое локальное адресное пространство благодаря наличию отдельной локальной дескрипторной таблицы (при необходимости). К недостаткам применения шлюза задачи для вызова обработчика можно отнести: □ замедленную реакцию процессора на особый случай; □ в шлюзе задачи невозможно определить начальную точку выполнения задачи; □ сложность получения информации о прерванной задаче. Переключение задачи, инициируемое особым случаем, производит вложение задачи обработчика в прерванную задачу. Старая задача остается занятой, а новая — обработчик особого случая — отмечается как занятая, причем в ней будет установлен флажок NT и загружено поле обратной связи. Состояние флага IF в новой задаче не меняется и определяется тем значением бита регистра EFLAGS, которое хранилось в TSS. Поэтому, если обработчик особого случая через шлюз задачи предназначен для обработки внешних прерываний, следует в TSS установить IF=0, "аппаратно" запретив внешние прерывания на время работы обработчика, или пока он явно не установит IF=1.
|
