На аппаратном уровне прерывания работают следующим образом

Когда устройство ввода-вывода заканчивает свою работу, оно инициирует прерывание (при условии, что прерывания разрешены операционной системой). Для этого устройство выставляет сигнал на выделенную устройству специальную линию шины. Этот сигнал распознается микросхемой контроллера прерываний, расположенной на материнской плате. Контроллер прерываний принимает решение о дальнейших действиях

При отсутствии других необработанных запросов прерывания контроллер прерываний обрабатывает прерывание немедленно.

Если прерывание уже обрабатывается, и в это время приходит запрос от другого устройства по линии с более низким приоритетом, то новый запрос просто игнорируется. В этом случае устройство продолжает удерживать сигнал прерывания на шине до тех пор, пока оно не будет обслужено центральным процессором.

Для обработки прерывания контроллер выставляет на адресную шину номер устройства, требующего к себе внимания, и устанавливает сигнал прерывания на соответствующий контакт процессора.

Этот сигнал заставляет процессор приостановить текущую работу и начать выполнять обработку прерывания. Номер, выставленный на адресную шину используется в качестве индекса в таблице, называемой вектором прерываний, из которой извлекается новое значение счетчика команд. Новый счетчик команд указывает на начало соответствующей процедуры обработки прерывания. Обычно с этого места аппаратные и эмулированные прерывания используют один и тот же механизм и часто пользуются одним и тем же вектором. Расположение вектора может быть либо жестко прошито на аппаратном уровне, либо, наоборот, располагаться в произвольном месте памяти, на которое указывает специальный регистр процессора, загружаемый операционной системой.

Вскоре после начала своей работы процедура обработки прерываний подтверждает получение прерывания, записывая определенное значение в порт контроллера прерываний. Это подтверждение разрешает контроллеру издавать новые прерывания.

Благодаря тому, что центральный процессор откладывает выдачу подтверждения до момента, когда он уже готов к обработке нового прерывания, удается избежать ситуации состязаний при появлении почти одновременных прерываний от нескольких устройств.

Аппаратура всегда, прежде чем начать процедуру обработки прерывания, сохраняет определенную информацию. Сохраняемая информация и место ее хранения широко варьируются в зависимости от центрального процессора.

Как минимум сохраняется счетчик команд, что позволяет продолжить выполнение прерванного процесса.

Другая крайность представляет собой сохранение всех программно доступных регистров и большого количества внутренних регистров центрального процессора.

Место сохранения этой информации.

1. Один из вариантов состоит в том, чтобы сохранять эти данные в неких внутренних регистрах, доступных операционной системе.

Недостаток такого подхода — до тех пор, пока вся сохраненная информация не будет считана обработчиком прерываний, новые прерывания будет нельзя разрешать. Так как любое новое прерывание просто стерло бы всю сохраненную таким образом информацию, записав поверх нее новые данные. В результате прерывания оказываются запрещенными в течение довольно длительных интервалов времени, что приводит к возможному игнорированию некоторых сигналов прерывания от устройств и, соответственно, к возможной потере данных.

2. Поэтому большинство центральных процессоров сохраняют информацию в стеке.

Однако у этого подхода также имеются недостатки. В чьем стеке следует сохранять данные? Если использовать текущий стек, он может оказаться стеком процесса пользователя. При этом может даже выясниться, что пользователь использует указатель стека в своей программе весьма нестандартно, то есть стек может указывать на область памяти, в которой нельзя сохранять данные. Попытка записать несколько слов в стек в таком случае может привести к неисправимой ошибке. Также указатель стека может указывать на конец страницы памяти. После нескольких обращений к стеку указатель может достичь конца страницы памяти и вызвать соответствующую ошибку.

Сигналы аппаратных прерываний, возникающие в устройствах, входящих в состав компьютера или подключенных к нему, поступают в процессор не непосредственно, а через два контроллера прерываний, один из которых называется ведущим, а второй - ведомым (рис. 1.11)

Два контроллера используются для увеличения допустимого количества внешних устройств. Дело в том, что каждый контроллер прерываний может обслуживать сигналы лишь от 8 устройств. Для обслуживания большего количества устройств контроллеры можно объединять, образуя из них веерообразную структуру. В современных машинах устанавливают два контроллера, увеличивая тем самым возможное число входных устройств до 15 (7 у ведущего и 8 у ведомого контроллеров).

К входным выводам IRQ1...IRQ7 и IRQ8...IRQ15 (IRQ - это сокращение от Interrupt Request, запрос прерывания) подключаются выводы устройств, на которых возникают сигналы прерываний. Выход ведущего контроллера подключается к входу INT микропроцессора, а выход ведомого - к входу IRQ2 ведущего.

Основная функция контроллеров - передача сигналов запросов прерываний от внешних устройств на единственный вход прерываний микропроцессора. При этом, кроме сигнала INT, контроллеры передают в микропроцессор по линиям данных номер вектора, который образуется в контроллере путем сложения базового номера, записанного в одном из его регистров, с номером входной линии, по которой поступил запрос прерывания. Номера базовых векторов заносятся в контроллеры автоматически в процессе начальной загрузки компьютера.

Для ведущего контроллера базовый вектор всегда равен 8, для ведомого - 70h.

Таким образом, номера векторов, закрепленных за аппаратными прерываниями, лежат в диапазонах 8h...Fh и 70h...77h.

Очевидно, что номера векторов аппаратных прерываний однозначно связаны с номерами линий, или уровнями IRQ, а через них - с конкретными устройствами компьютера. На рис. 1.11 указаны некоторые из стандартных устройств компьютера, работающих в режиме прерываний. Процессор, получив сигнал прерывания, выполняет последовательность стандартных действий, обычно называемых процедурой прерывания.

Подчеркнем, что здесь идет речь лишь о реакции самого процессора на сигналы прерываний, а не об алгоритмах обработки прерываний, предусматриваемых пользователем в программах обработки прерываний.

Объекты вычислительной системы, принимающие участие в процедуре прерывания, и их взаимодействие показаны на рис. 1.12.

Самое начало оперативной памяти от адреса 0000h до 03FFh отводится под векторы прерываний - четырехбайтовые области, в которых хранятся адреса обработчиков прерываний (ОбрПр на рис. 1.12).

В два старшие байта каждого вектора записывается сегментный адрес обработчика, в два младшие - смещение (относительный адрес) точки входа в обработчик.

Векторы, как и соответствующие им прерывания, имеют номера, причем вектор с номером 0 располагается, начиная с адреса 0, вектор 1 - с адреса 4, вектор 2 - с адреса 8 и т.д.

Вектор с номером n занимает, таким образом, байты памяти от n*4 до n*4+2.

Всего в выделенной под векторы области памяти помещается 256 векторов.