Здесь мы разберем такие важные темы, как: обработка прерываний, векторы прерываний, программные прерывания, IRQ , в общем поговорим на темы прерывания.

Идея прерывания была предложена в середине 50-х годов и основная цель введения прерываний – реализация синхронного режима работы и реализация параллельной работы отдельных устройств ЭВМ.

Прерывания и обработка прерываний зависят от типа ЭВМ, поэтому их реализацию относят к машинно-зависимым свойствам операционных систем.

Прерывание (interrupt) – это сигнал, заставляющий ЭВМ менять обычный порядок выполнения команд процессором.

Возникновение подобных сигналов обусловлено такими событиями , как:

• завершение операций ввода-вывода.
• истечение заранее заданного интервала времени.
• попытка деления на нуль.
• сбой в работе аппаратного устройства и др.

Обработка прерывания

С каждым прерыванием связывают число, называемое номером типа прерывания или просто номером прерывания . Система умеет распознавать, какое прерывание, с каким номером оно произошло, и запускает соответствующую этому номеру программу обработки прерывания. Таким образом, при поступлении сигнала на прерывание происходит принудительная передача управления от выполняемой программы к системе, а через нее — к обработчику прерываний.

Например прерывание с номером 9 — прерывание от клавиатуры, которое генерируется при нажатии и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных с клавиатуры. Обозначается в ОС как IRQ 1, где IRQ – обозначение прерывания, а 1 – приоритет прерывания. Данные о запросах на прерывание можно проанализировать в диспетчере устройств:

Обработчик прерываний – программа обработки прерывания, являющаяся частью ОС, предназначенная для выполнения ответных действий на условие, вызвавшее прерывание.

Предположим, что в момент поступления сигнала прерывания от некоторого источника программа А находится в решении. В результате управление автоматически передается обработчику прерываний. После завершения обработки управление может быть снова передано в ту точку программы А, где ее выполнение было прервано:

Векторы прерываний

Адреса программ, соответствующих различным прерываниям, собраны в таблицу, которая называется таблицей векторов прерываний .

Для микропроцессора требуется простой способ определения местоположения программы обработки прерывания и это осуществляется путем использования таблицы векторов прерываний .

Таблица векторов прерываний занимает 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. Векторами являются просто полные адреса памяти программы (в сегментированной форме), которая должна быть активизирована в случае возникновения прерывания.

Прерыванию с номером 0 соответствует адрес 0000:0000, прерыванию с номером 1 — 0000:0004 и т.д. Адрес такой состоит из пары 2-байтовых слов, поэтому каждый из векторов занимает четыре байта.

Можно просмотреть таблицу векторов прерываний в компьютере, если воспользоваться программой DEBUG. Используйте команду D для вывода содержимого начала памяти: D 0:0. Программа DEBUG покажет вам первые 128 байтов или 32 вектора, которые могут иметь вид наподобие следующего:

0000:0000 E8 4E 9A 01 00 00 00 00-C3 E2 00 F0 00 00 00 00
0000:0010 F0 01 70 00 54 FF 00 F0-05 18 00 F0 05 18 00 F0
0000:0020 2C 08 51 17 D0 0A 51 17-AD 08 54 08 E8 05 01 2F
0000:0030 FA 05 01 2F 05 18 00 F0-57 EF 00 F0 F0 01 70 00
0000:0040 90 13 C7 13 4D F8 00 F0-41 F8 00 F0 3E 0A 51 17
0000:0050 5C 00 B7 25 59 F8 00 F0-E2 0A 51 17 9C 00 B7 25
0000:0060 00 00 00 F6 8E 00 DE 09-6E FE 00 F0 F2 00 7B 09
0000:0070 27 08 51 17 A4 F0 00 F0-22 05 00 00 00 00 00 F0

Векторы хранятся как «слова наоборот»: сначала смещение, а потом сегмент. Например, первые четыре байта, которые программа DEBUG показала выше (E8 4E 9A 01) можно преобразовать в сегментированный адрес 019A:4EE8.

Можно встретить три вида адресов в таблице векторов . Это могут быть адреса, указывающие на ROM-BIOS, которые можно идентифицировать шестнадцатеричной цифрой F, которая предшествует номеру сегмента. Это могут быть адреса, которые указывают на главную память (как в примере: 019A:4EE8). Эти адреса могут указывать на подпрограммы ДОС или на резидентную программу (например, SideKick или Prokey), либо они могут указывать на саму программу DEBUG (поскольку DEBUG должна временно управлять прерыванием). Также векторы могут состоять из одних нулей, когда прерывание с данным номером не обрабатывается в текущий момент.

Инициализация таблицы происходит частично BIOS после тестирования аппаратуры и перед началом загрузки операционной системой, частично при загрузке операционной системы.

Ниже приведено назначение некоторых векторов:

IRQ0 — IRQ15 — это аппаратные прерывания.

Механизм обработки прерываний

При обработке каждого прерывания должна выполняться следующая последовательность действий:

• Восприятие запроса на прерывание: прием сигнала и идентификация прерывания.
• Запоминание состояния прерванного процесса: определяется значением счетчика команд (адресом следующей команды) и содержимым регистров процессора.
• Передача управления прерывающей программе (в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры – информация из слова состояния процессора).
• Обработка прерывания.
• Восстановление прерванного процесса и возврат в прерванную программу.

Главные функции механизма прерывания:

1. распознавание или классификация прерываний.
2. передача управления соответственно обработчику прерываний.
3. корректное возвращение к прерванной программе (перед передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом либо в системном стеке).

Типы прерываний

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на 4 группы:

Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и возникают по отношению к программе асинхронно, т.е. в общем случае невозможно предсказать, когда и по какой причине программа будет прервана.

Аппаратные прерывания не координируются c работой программного обеспечения. Когда вызывается прерывание, то процессор оставляет свою работу, выполняет прерывание, a затем возвращается на прежнее место.

Внешние прерывания возникают по сигналу какого-либо внешнего устройства например:

• Прерывание, которое информирует систему о том, что требуемый сектор диска уже прочитан, его содержимое доступно программе.
• Прерывание, которое информирует систему о том, что завершилась печать символа на принтере и необходимо выдать следующий символ.
• Прерывания по нарушению питания.
• Нормальное завершение некоторой операции ввода-вывода (нажатие клавиши на клавиатуре).
• Прерывание по таймеру.

Прерывание по таймеру вызывается интервальным таймером. Этот таймер содержит регистр, которому может быть присвоено определенное начальное значение посредством специальной привилегированной команды. Значение этого регистра автоматически уменьшается на 1 по истечении каждой миллисекунды времени. Когда это значение становятся равным нулю, происходит прерывание по таймеру. Подобный интервальный таймер используется операционной системой для определения времени, в течение которого программа пользователя может оставаться под управлением машины.

Маскируемые и немаскируемые внешние прерывания

Существуют два специальных внешних сигнала среди входных сигналов процессора, при помощи которых можно прервать выполнение текущей программы и тем самым переключить работу центрального процессора. Это сигналы NMI (Non Mascable Interrupt, немаскируемое прерывани ) INTR (interrupt request, запрос на прерывание ).

Соответственно внешние прерывания подразделяются на два вида: немаскируемые и маскируемые.

Часто при выполнении критических участков программ, для того чтобы гарантировать выполнение определенной последовательности команд целиком, приходится запрещать прерывания (т.е. сделать систему нечувствительной ко всем или отдельным прерываниям). Это можно сделать командой CLI. Ее нужно поместить в начало критической последовательности команд, а в конце расположить команду STI, разрешающую процессору воспринимать прерывания. Команда CLI запрещает только маскируемые прерывания, немаскируемые всегда обрабатываются процессором.

Таким образом, наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерываний. Прерывания, которые замаскировать нельзя — это немаскируемые прерывания.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями, а именно прерывание происходит, когда:

• при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);
• при наличии в поле кода не задействованной двоичной комбинации.
• при делении на нуль.
• при переполнении или исчезновении порядка.
• при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Программные прерывания

Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. По этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных прерываниях, но только это происходит в предсказуемой точке программы – там, где программист поместил данную команду. Поэтому программные прерывания не являются асинхронными (программа «знает», когда она вызывает прерывание).

Программные прерывания в прямом смысле прерываниями не являются, поскольку представляют собой лишь специфический способ вызова процедур — не по адресу, а по номеру в таблице.

Механизм программных прерываний был специально введен для того, чтобы:

1. переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычные прерывания. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд.
2. использование программных прерываний приводит к более компактному коду программ по сравнению с использованием стандартных команд выполнения процедур.

Пример (программные прерывания):

• привилегированная команда в режиме пользователя.
• адрес вне диапазона.
• нарушение защиты памяти.
• арифметическое переполнение, отсутствует страница.
• нарушение защиты сегмента.
• выход за границу сегмента.

В упрощенном виде схему обработки различных видов прерываний можно представить следующим образом:

КП – контроллер прерываний, имеет несколько уровней (линий) для подключения контроллеров устройств (на схеме обозначены КУ). Возможно каскадное подключение контролеров, когда на один из его входов подключается еще одни контроллер прерываний. ЦП – центральный процессор.

Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами компьютера, когда возникает необходимость их обслуживания. В отличие от программных прерываний, вызываемых запланировано самой прикладной программой, аппаратные прерывания всегда происходят асинхронно по отношению к выполняющимся программам. Кроме того, может возникнуть одновременно несколько прерываний. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания.

Каждому прерыванию назначается свой уникальный приоритет. Если происходит одновременно несколько прерываний, то система отдает предпочтение самому высокоприоритетному, откладывая на время обработку остальных прерываний.

В случае о прерывании самой программы обработки прерывания говорят о вложенном прерывании . Уровни приоритетов обозначаются сокращенно IRQ0 — IRQ15 или IRQ0 – IRQ23 (в зависимости от микросхемой реализации).

Пpepывaнию вpeмeни cутoк дан мaкcимaльный пpиopитeт, пocкoльку ecли oнo будет пocтoяннo тepятьcя, то будут нeвepными пoкaзaния cиcтeмныx чacoв. Пpepывaниe от клaвиaтуpы вызывaeтcя при нaжaтии или oтпуcкaнии клавиши; oнo вызывaeт цепь coбытий, кoтopaя oбычнo зaкaнчивaeтcя тем, что код клавиши пoмeщaeтcя в буфep клaвиaтуpы (oткудa он зaтeм мoжeт быть пoлучeн пpoгpaммными пpepывaниями).

Ну и наконец реализация механизма обработки прерываний

В машине для каждого класса прерываний имеется соответствующая ему рабочая область прерываний . Например, имеется область, соответствующая прерыванию по таймеру. Когда происходит прерывание по таймеру, содержимое всех регистров сохраняется в этой области (например, пропустив первые несколько слов). Затем из этих пропущенных слов извлекаются заранее занесенные туда значения, которые перезаписываются в счетчик (указатель) команд машины и в слово состояния (или во флаговый регистр). Загрузка и сохранение регистров осуществляется аппаратными средствами машины автоматически.

Загрузка счетчика команд новым значением адреса автоматически вызывает передачу управления на соответствующую команду. Этот адрес, заранее сохраненный в рабочей области прерывания, представляет собой начальный адрес стандартной программы обработки прерываний по таймеру. Загрузка слова состояния также вызывает определенные изменения в состоянии процессора.

После выполнения в ответ на запрос на прерывание любого требуемого действия стандартная программа обработки прерываний выполняет команду загрузки состояния процессора, в результате чего управление передается прерванной программе. Происходит это следующим образом: команда загрузки состояния процессора вызывает загрузку сохраненного содержимого слова состояния, счетчика команд и других регистров из соответствующих слов области сохранения, начиная с адреса, указанного в команде. Это приводит к восстановлению содержимого регистров и состояния процессора, которые были в момент прерывания. Управление затем передается на команду, перед выполнением которой произошло прерывание.

Сохранение и восстановление состояния процессора и содержимого регистров называют операцией контекстного переключения .

У большинства машин имеется так называемое слово состояния, которое содержит часть информации, используемой при обработке прерываний. Одним из элементов этого слова (например, первый) является признак, определяющий, в каком режиме находится процессор: в пользовательском или супервизора .

Обычные программы находятся в пользовательском режиме (признак равен нулю). Когда происходит прерывание, новое загружаемое содержимое слово состояния имеет признак, равный 1, что автоматически переводит процессор в режим супервизора. В этом режиме становится возможным использование привилегированных команд. Перед тем, как значение слова состояния будет сохранено, в другом его элементе (например, втором) будет установлено значение, указывающее на причину прерывания:

• при программном прерывании отражается тип вызвавшего его условия, например деление на нуль.
• при прерывании по вводу-выводу заносится номер канала, вызвавший прерывание.

В третьем элементе указывается, выполняет ли процессор команды или простаивает. В четвертом элементе содержится указатель, идентифицирующий текущую выполняемую программу. В пятом элементе содержится маска прерываний, которая используется для контроля за разрешением прерываний (поле MASK).

Это поле используется, чтобы не допустить наступления прерываний определенного типа, пока первое из них не будет обработано. В MASK каждый бит соответствует некоторому классу прерываний. Если какой-то бит установлен в 1, то прерывания соответствующего класса разрешены, если в 0, то запрещены. В последнем случае говорят, что они маскированы (их также называют запрещенными или закрытыми ). Однако маскированные прерывания не теряются, потому что сигнал, вызвавший прерывание, сохраняется аппаратурой. Временно задержанное таким способом прерывание называется отложенным . Когда (вследствие того, что значение MASK сброшено) прерывания соответствующего класса вновь разрешаются, сигнал опознается и происходит прерывание.

Маскирование прерываний находится под контролем операционной системы и зависит от значения MASK в слове состояния, которое заранее сохраняется в рабочей области каждого прерывания. Можно запретить все прерывания, установив все биты MASK в нуль. В действительности поступать подобным образом нет необходимости.

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.

1. Отключите все неиспользуемые порты в системной BIOS. Например, если вместо последовательного и параллельного портов используются порты USB, отключите их. В результате можно высвободить до трех прерываний.
2. Укажите прерывание IRQ, освобожденное в п. 1, в списке доступных прерываний для устройств PCI/PnP. В зависимости от версии BIOS соответствующие параметры доступны в разделе PnP/PCI Resource Exclusion или PnP/PCI Configuration.
3. Активизируйте параметр Reset Configuration Data, чтобы очистить таблицы маршрутизации IRQ в памяти CMOS.
4. Сохраните изменения и завершите работу с программой настройки BIOS.

• Алиева Елена Викторовна , студент
• Уфимский государственный авиационный технический университет

• КОНТРОЛЛЕР ПРЕРЫВАНИЙ
• КОНТРОЛЛЕР
• АППАРАТНЫЕ ПРЕРЫВАНИ
• ПРЕРЫВАНИЕ

Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы. Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне. Аппаратные прерывания возникают как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства (клавиатура, системные часы, клавиатура, жесткий диск и т.д.), по времени возникновения эти прерывания асинхронны, т.е. происходят в случайные моменты времени. Контроллер прерываний предназначен для обработки и арбитража поступающих запросов на обслуживание к центральному процессору от переферийных устройств. Прерывания имеют определённый приоритет, который позволяет контроллеру прерываний отдавать предпочтение в данный момент времени одному устройству, а не другому. В современном компьютере существует до 16 внешних и переферийных устройств, генерирующие прерывания.

• Автоматизация документооборота склада производственного предприятия
• Calls-технологии, особенности, применение и эффективность
• Разработка модели информационной системы юридического отдела по сопровождению и заключению договоров предприятия

Введение

Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы. Т.е. это процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возвратом к прерванной программе. Нажимая клавишу на клавиатуре, мы инициируем немедленный вызов программы, которая распознает клавишу, заносит ее код в буфер клавиатуры, из которого он считывается другой программой. Т.е. на некоторое время микропроцессор прерывает выполнение текущей программы и переключается на программу обработки прерывания, так называемый обработчик прерывания. После того, как обработчик прерывания завершит свою работу, прерванная программа продолжит выполнение с точки, где было приостановлено ее выполнение. Адрес программы-обработчика прерывания вычисляется по таблице векторов прерываний.

Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне. В зависимости от источника, прерывания делятся на:

• аппаратные - возникают как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства (клавиатура, системные часы, клавиатура, жесткий диск и т.д.), по времени возникновения эти прерывания асинхронны, т.е. происходят в случайные моменты времени;
• программные - вызываются искусственно с помощью соответствующей команды из программы (int), предназначены для выполнения некоторых действий операционной системы, являются синхронными;
• исключения - являются реакцией микропроцессора на нестандартную ситуацию, возникшую внутри микропроцессора во время выполнения некоторой команды программы (деление на ноль, прерывание по флагу TF (трассировка)) .

Аппаратные средства системы прерываний

Система прерываний - это совокупность программных и аппаратных средств, реализующих механизм прерываний.

К аппаратным средствам системы прерываний относятся:

• выводы микропроцессора - на них формируются сигналы, извещающие микропроцессор либо о том, что некоторое внешнее устройство «просит уделить ему внимание» (INTR), либо о том, что требуется безотлагательная обработка некоторого события или катастрофическая ошибка (NMI)
• INTR - вывод для входного сигнала запроса на прерывание,
• NMI - вывод для входного сигнала немаскируемого прерывания
• INTA - вывод для выходного сигнала подтверждения получения сигнала прерывания микропроцессором (этот сигнал поступает на одноименный вход микросхемы контроллера 8259А;
• программируемый контроллер прерываний 8259А (предназначен для фиксирования сигналов прерываний от восьми различных внешних устройств; он выполнен в виде микросхемы; обычно используют две последовательно соединенные микросхемы, поэтому кол-во возможных источников внешних прерываний до 15 плюс одно немаскируемое прерываний; именно он формирует номер вектора прерывания и выдает его шину данных);
• внешние устройства (таймер, клавиатура, магнитные диски и т.п.)

Обработка прерываний

Прерывание вызывает ряд событий, которые происходят как в аппаратном, так и в программном обеспечении. На рис. 1 показана типичная последовательность этих событий.

После завершения работы устройства ввода-вывода происходит следующее:

• Устройство посылает процессору сигнал прерывания.
• Перед тем как ответить на прерывание, процессор должен завершить исполнение текущей команды (см. рис. 1).
• Процессор производит проверку наличия прерывания, обнаруживает его и посылает устройству, приславшему это прерывание, уведомляющий сигнал об успешном приеме. Этот сигнал позволяет устройству снять свой сигнал прерывания.

Теперь процессору нужно подготовиться к передаче управления обработчику прерываний. Сначала необходимо сохранить всю важную информацию, чтобы в дальнейшем можно было вернуться к тому месту текущей программы, где она была приостановлена. Минимальная требуемая информация - это слово состояния программы и адрес очередной выполняемой команды, который находится в программном счетчике. Эти данные заносятся в системный управляющий стек.

Далее в программный счетчик процессора загружается адрес входа программы обработки прерываний, которая отвечает за обработку данного прерывания. В зависимости от архитектуры компьютера и устройства операционной системы может существовать как одна программа для обработки всех прерываний, так может быть и своя программа обработки для каждого устройства и каждого типа прерываний. Если для обработки прерываний имеется несколько программ, то процессор должен определить, к какой из них следует обратиться. Эта информация может содержаться в первоначальном сигнале прерывания; в противном случае для получения необходимой информации процессор должен по очереди опросить все устройства, чтобы определить, какое из них отправило прерывание.

Как только в программный счетчик загружается новое значение, процессор переходит к следующему циклу команды, приступая к ее извлечению из памяти. Так как команда извлекается из ячейки, номер которой задается содержимым программного счетчика, управление переходит к программе обработки прерываний. Исполнение этой программы влечет за собой следующие операции.

Содержимое программного счетчика и слово состояния прерываемой программы уже хранятся в системном стеке. Однако это еще не вся информация, имеющая отношение к состоянию исполняемой программы. Например, нужно сохранить содержимое регистров процессора, так как эти регистры могут понадобиться обработчику прерываний. Поэтому необходимо сохранить всю информацию о состоянии программы. Обычно обработчик прерываний начинает свою работу с записи в стек содержимого всех регистров. Другая информация, которая должна быть сохранена, обсуждается в главе 3, "Описание процессов и управление ими". На рис. показан простой пример, в котором программа пользователя прерывается после выполнения команды из ячейки N. Содержимое всех регистров, а также адрес следующей команды (N+1), в сумме составляющие М слов, заносятся в стек. Указатель стека при этом обновляется, указывая на новую вершину стека. Обновляется и программный счетчик, указывая на начало программы обработки прерывания.

Теперь обработчик прерываний может начать свою работу. В процесс обработки прерывания входит проверка информации состояния, имеющая отношение к операциям ввода-вывода или другим событиям, вызвавшим прерывание. Сюда может также входить пересылка устройствам ввода-вывода дополнительных инструкций или уведомляющих сообщений.

После завершения обработки прерываний из стека извлекаются сохраненные ранее значения, которые вновь заносятся в регистры, возобновляя таким образом то состояние, в котором они пребывали до прерывания.

Последний этап - восстановление из стека слова состояния программы и содержимого программного счетчика. В результате следующей будет выполняться команда прерванной программы.

Из-за того, что прерывание не является подпрограммой, вызываемой из программы, для полного восстановления важно сохранить всю информацию состояния прерываемой программы. Однако прерывание может произойти в любой момент и в любом месте программы пользователя. Это событие непредсказуемо .

Контроллер прерываний

Контроллер прерываний предназначен для обработки и арбитража поступающих запросов на обслуживание к центральному процессору от переферийных устройств. По аналогии функции контроллера прерываний можно сравнить с секретарём какого–нибудь начальника. Секретарь должен решить, кого из посетителей допустить к боссу в первую очередь, а кого и потом, исходя из приоритетов, отдаваемых боссом и статуса самого посетителя. Так и в компьютерной системе, возможна такая ситуация, когда несколько переферийных устройств послали сигнал прерывания или запрос на прерывание. В компьютерной литературе этот сигнал обозначается IRQ (Interrupt Request).

Как уже выше говорилось, прерывания имеют определённый приоритет, который позволяет контроллеры прерываний отдавать предпочтение в данный момент времени одному устройству, а не другому. В современном компьютере существует до 16 внешних и периферийных устройств, генерирующие прерывания. Вот эти устройства:
–IRQ 0, системный таймер; –IRQ 1, клавиатура; –IRQ 2, исползуется для запросов устройств, подключенных каскадом; –IRQ 8, часы реального времени; –IRQ 9, зарезервировано; –IRQ 10, зарезервировано; –IRQ 11, зарезервировано; –IRQ 12, ps/2–мышь; –IRQ 13, сопроцессор; –IRQ 14, контроллер «жёсткого» диска; –IRQ 15, зарезервировано; –IRQ 3, порты COM2,COM4; –IRQ 4, порты COM1,COM3; –IRQ 5, порт LPT2; –IRQ 6, контроллер дисковода; –IRQ 7, порт LPT1,принтер.

Здесь сигналы приведены в порядке убывания приоритетов. Можно заметить, что после IRQ 2, следует IRQ 8. Дело в том, что в своё время контроллер прерываний состоял из двух микросхем, одна была подключена к другой. Вот эта вторая микросхема и подключается к линии IRQ 2, образуя каскад. Она обслуживает линии IRQ8–IRQ 15. А затем следуют линии первой микросхемы .

Работа контроллера прерывания

Работа контроллеов прерываний рассматривается на основе микросхем фирмы Intel 8259A, которые применялись в теперь уже очень старых компьютерах с процессорами до 386 серии. В этих компьютерах обычно было 2 микросхемы 8259A, подключенных каскадно, то–есть одна к другой. Одна из микросхем, подключенная по линии запроса на прерывание непосредственно к процессору является ведущей или мастером. Остальные,подключаются к ведущей через аналогичные выводы, называются ведомыми.

На рисунке 3 изображена схема подключения контроллеров прерываний и их взаимодействие с центральным процессором. Сигналы на прерывание от переферийных устройств или ведомых контроллеров поступают на входы IR0–IR7 ведущего контроллера. Внутренняя логика ведущего контроллера обрабатывает поступившие запросы с точки зрения приоритета. Если приоритет запроса устройства достаточен, то на выходе INT контроллера вырабатывается сигнал, поступающий на вход INTR процессора. В противном случае, запрос блокируется.

Если процессор разрешает прерывания, то после завершения выполнения текущей команды, он вырабатывает по линии INTA последовательность сигналов, которая переводит ведомый контроллер в состояние невосприимчивости к поступающим новым запросам на прерывание, а кроме того, на линию данных выводится информация из внутренних регистров контроллера по которой процессор распознаёт тип прерывания.

Разрешение на прерывание процессор передаёт контроллеру прерываний через контроллер шины. Сигнал RD предназначен для того, чтобы контроллер прерываний поместил на шину данных содержимое внутренних регистров. По сигналу WR контроллер прерываний, наоборот, принимает данные с одноимённой шины и записывает их во внутренние регистры. Соответственно, это влияет на режим работы контроллера прерываний.

Вход CS подключается к шине адреса и по этому сигналу происходит идентификация конкретного контролллера прерываний. Вход A0 указывает на порт контроллера прерываний в пространстве ввода–вывода.

Входы IR0–IR7 предназначены для приёма запросов на прерывание от переферийных устройств и ведомых контроллеров.

Выходы CAS0–CAS2 предназначены для идентификации конкретного ведомого контроллера .

В статье рассмотрены аппаратные прерывания и устройство, функции, работу контроллера прерываний. Данный контроллер прерываний появился ещё в первых PC–совместимых компьютерах. С тех пор, и процессоры, и сам компьютер во многом изменились, хотя некоторые моменты остались. Поэтому, для того, чтобы было понятней и была рассмотрена организация контроллера прерываний 8295A.

На приведенной выше схеме показаны сигналов приходящие не только на ведомый и ведущий контроллеры прерываний, но и на остальные ведомые. Однако на вашем компьютере или ноутбуке на самом деле 2 контроллера прерываний, как выше указывалось: ведущий и ведомый. Но можно создавать свои компьютерные системы, используя таким образом до 64 ведомых контроллеров прерываний.

В современных компьютерах уже давно функции контроллера прерываний выполняют не микросхемы 8259A, а южный мост. Однако, для всех программ и устройств всё остаётся по–прежнему. Более того, контроллер прерываний можно программировать, и обращаться к внутренним регистрам и портам необходимо точно также, как и к контроллеру 8259A .

Заключение

В данной работе были рассмотрены прерывания, а именно аппаратные средства обработки прерываний и принцип обработки прерываний. Также рассмотрены контроллеры прерываний и принцип их работы.

Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы. Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне. Аппаратные прерывания возникают как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства (клавиатура, системные часы, клавиатура, жесткий диск и т.д.), по времени возникновения эти прерывания асинхронны, т.е. происходят в случайные моменты времени.

Контроллер прерываний предназначен для обработки и арбитража поступающих запросов на обслуживание к центральному процессору от переферийных устройств. Прерывания имеют определённый приоритет, который позволяет контроллеру прерываний отдавать предпочтение в данный момент времени одному устройству, а не другому. В современном компьютере существует до 16 внешних и переферийных устройств, генерирующие прерывания.

Список литературы

1. Лекция. Прерывания. Эл. Ресурс. http://hromatron.narod.ru/_lekcii/prerivania_lekcia_g2013.htm
2. Системные прерывания | Аппаратное прерывание | Обработка прерываний http://life-prog.ru/view_os.php?id=16
3. Контроллер прерываний. Эл. Ресурс http://sdelaycomputersam.ru/Controller_irq.php,
4. Прерывания. Контроллер прерываний. Устройство, функции, работа. Эл. Ресурс http://sdelaycomputersam.ru/Controller_irq.php
5. Структура и инициализация контроллера прерываний Intel 8259A Эл.ресурс https://dev64.wordpress.com/2012/05/30/8259-programming/

Управление приоритетами IRQ

Управление запросами на аппаратное прерывание

Большинству 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

1. Начните с запуска утилиты информации о системе (msinfo32.exe) и откройте ветвь Сведения о системе Аппаратные ресурсы Прерывания (IRQ), чтобы про­смотреть, какие IRQ и для каких устройств используются.
2. Затем откройте редактор реестра (см. главу 3) и перейдите к ветви HKEY_LOCAL_ MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\PriorityControl.
3. Создайте новое значение DWORD в этом разделе и назовите параметр IRQ#Priority, где # - номер IRQ-устройства, для которого вы хотите задать приоритет (напри­мер, IRQ13Priority соответствует IRQ 13, то есть арифметическому сопроцес­сору).
4. Дважды щелкните на новом значении и укажите номер приоритета. Введите 1 для высшего приоритета, 2 для второго и т. д. Удостоверьтесь, что не ввели одно и то же число для двух записей, и не пытайтесь сделать все сразу, лучше поэкспериментируйте с одним или двумя значениями.
5. По окончании закройте редактор реестра и перезагрузите компьютер.

Бывало ли у вас так: вы включаете сканер или подключаете внешний привод компакт дисков, и в этот момент вся система начинает заметно тормозить и вести себя неадекватно: мышь по экрану двигается рывками, звук начинает заикаться или отключается... Бывают и более тяжелые случаи. Например, после установки новой звуковой платы, при любых попытках вывести звук, даже при старте Windows, компьютер зависает насмерть. Если бывало, то эта статья – о вашем случае. Если нет, то все равно прочтите эту статью – если вдруг это случится, то вы будете знать, что делать.

Эти проблемы, чаще всего, вызваны конфликтом аппаратных прерываний компьютера. Забавно, но довольно серьезная часть проблем с компьютером после установки нового железа как раз и связана с этими самыми конфликтами, только о них никто не говорит и вообще, эта тема мало обсуждается. Понимание всего вопроса в целом довольно обширная тема и каждый случай конфликта часто отличается от предыдущего, как по симптомам, так и по методам решения. В этой статье мы попытаемся объяснить сложившуюся ситуацию для пользователей, которые уже не боятся компьютеров, но еще не набрали достаточно опыта для решения проблем с конфликтами железа самостоятельно. К сожалению, некоторые моменты статьи довольно тяжело могут восприниматься из-за описаний систем построенных на нечеткой логике, которая, кстати, и является сильной стороной человека по отношению к компьютерам.

Немного истории

Многим эта часть статьи покажется необязательной, так как рассказ будет о старых временах, где-то с 1985 года, но эта информация важна тем, кто хочет разобраться в сути проблемы и понять, почему всё сложилось так неоднозначно.

Давным-давно, в далекой Америке, был разработан процессор x86, который является прародителем всех процессоров, используемых в персональных компьютерах стандарта IBM PC. То есть все Pentium и Athlon имеют в своей основе старый, добрый процессор x86. Архитектура современных процессоров уже очень сильно отличается от первого x86, тем не менее, некоторые моменты сохранились с тех давних времен, когда x86 процессор находился в начале своего пути, а именно с середины восьмидесятых годов прошлого века. Одним из таких моментов является ограничение количества линий аппаратных прерываний для центрального процессора.

Аппаратное прерывание – это реакция процессора на события, происходящие асинхронно по отношению к исполняемому программному коду. То есть прерывание – это момент когда центральный процессор по запросу от вызвавшего прерывание устройства откладывает выполняемую задачу и переключается на задачу, необходимую для работы устройства. После того, как задача для устройства выполнена, процессор вновь переключается на выполнение основной программы. Звуковую карту прерывание заставляет проиграть следующую микросекунду звука, а видеокарту прерывание заставляет сделать следующий кадр. С помощью прерываний центральный процессор заставляет жить весь компьютер. Линия аппаратного прерывания – это, утрированно говоря, физический провод, соединяющий микросхему контроллера прерываний и устройство. Количество линий аппаратных прерываний центрального процессора ограничено цифрой 16, то есть и устройств, использующих линии аппаратного прерывания, не может быть больше 16. Для организации линий аппаратных прерываний внутри компьютера используется специализированная микросхема - контроллер прерываний (PIC, Programmable Interupt Controller). Эта микросхема совместима по системе программных команд с микросхемой 8259A, которая имела всего 8 входов и использовалась в компьютерах класса IBM PC XT (8086 процессор). С выходом IBM PC AT (процессор 80286) внутренняя структура организации прерываний изменилась. Прерываний стало вдвое больше за счет использования еще одной микросхемы 8259A, которую подключили ко второй линии первой микросхемы. Такая архитектура стандартного контроллера прерываний сохранилась и по сей день, причем никаких изменений на ближайшее будущее не намечается. Даже с приходом на рынок 64-битных x86 совместимых процессоров ситуация не изменится. Линии аппаратных прерываний обозначили значением – IRQ (Interupt ReQuest). Как уже упоминалось, физически у компьютера имеется 16 линий аппаратных прерываний, но эта цифра сильно уменьшается за счет прерываний? уже использованных встроенными устройствами. Некоторые прерывания имеют статус системных, поэтому их использование и переназначение их номера по желанию пользователя невозможно. В таблице они выделены буквой S перед номером. По умолчанию заняты следующие прерывания:

Такая раскладка прерываний очень долго сохранялась на многих бытовых компьютерах. Почти все компьютеры на базе процессоров 386, 486 и Pentium имеют такой список использованных прерываний. При таком раскладе свободных прерываний в компьютере оказывается всего пять (5, 9, 10, 11, 12), но этого количества для большинства случаев было вполне достаточно. Устройств, требующих прерывание и устанавливаемых в компьютер в виде плат расширения, редко было больше трех. Стандартный набор того времени выглядел так: видеокарта, звуковая плата и сетевая карта. При этом было важно, чтобы одно прерывание ни в коем случае не использовалось двумя устройствами одновременно, так как это повлечет конфликт системных ресурсов, и оба устройства, находящихся на одном прерывании, работать не будут. Задачей сборщика компьютера на тот момент было разведение всех устройств по прерываниям таким образом, чтобы ни одно устройство не пересекалось с другим.

Наверное, самое время объяснить, что такое конфликт прерываний. Если два устройства находятся на одной линии прерываний, то драйвер может их спутать и переслать исполняемый кусок программы не той «железке», при этом заставляя ее исполнить этот кусок кода. Например, сетевая плата и звуковая карта находятся на 10 прерывании. Сетевая карта получает пакет из локальной сети с запросом на получение файла и отправляет запрос на прерывание центральному процессору.

Процессор отрабатывает прерывание, останавливает исполняемую задачу и передает управление драйверу сетевой карты, для отработки необходимых для приемки файла действий. Драйвер начинает работу с устройством, от которого пришло прерывание. Вот только работать он начинает не с сетевой платой, а со звуковой картой, находящейся на той же линии, передавая ей команды для приемки файла. Звуковая карта исполняет принятые команды, и полностью завешивает компьютер с BSOD (Blue Screen Of Death).

Существует еще одна небольшая тонкость. Все линии прерываний имеют свой приоритет. Чем выше приоритет у линии прерывания, тем быстрее процессор ответит на запрос от устройства находящегося на этой линии. Приоритеты прерываний приведены в таблице ниже в порядке убывания.

Исторически сложившаяся архитектура наложила очень сильный отпечаток на приоритеты линий прерываний. Подключенная вторая микросхема контроллера ко второй линии первой микросхемы вклинивается в приоритеты. Поэтому линии второй микросхемы имеют более высокий приоритет, чем линии первой. При этом, обе микросхемы выглядят для пользователя единым модулем контроллера прерываний – PIC (Program Interrupt Controller). Более того, уже давно две микросхемы для этих целей не используется, всё это встроено в северный мост чипсета, но раскладка приоритетов прерываний сохранилась. Чем больше ресурсов от компьютера требует устройство, тем более высокий приоритет должен быть у линии IRQ присвоенной этому устройству. То есть, для видеокарты желательно отдавать девятое или десятое прерывание, если оно свободно. Для звуковой карты тоже желательно найти прерывание, находящееся на втором контроллере. Подробнее об этом вопросе мы поговорим чуть ниже.

Но время не стоит на месте, и ситуация с прерываниями начала ухудшаться одновременно с разработкой новых технологий и развитием всей компьютерной области. Появились новые стандарты портов ввода-вывода, которые требуют собственного прерывания. Например, порты USB или PS/2, которые являются на настоящий момент стандартом де-факто для всех компьютеров. Свободных прерываний становилось всё меньше, а решение системных конфликтов становилось всё более сложным.

Настоящее …

Вся ситуация сильно изменилась с появлением систем ACPI и IRQ Sharing. К сожалению, эти системы никак нельзя описать в одно предложение, поэтому мы рассмотрим их чуть подробнее.

Система ACPI (Advanced Configuration and Power Interface, Расширенный интерфейс конфигурирования и управления питанием) была разработана в 1997 году тремя компаниями Microsoft, Intel и Toshiba. Если ваш компьютер поддерживает ACPI в железе, то при инсталляции операционных систем WindowsXP и Windows 2000 поддержка ACPI автоматически встраивается в ядро операционной системы. Система ACPI занимается менеджментом энергосберегающих функций компьютера, таких, как автоматическое выключение блока питания после успешного завершения работы операционной системы, экономия заряда батарей, перевод компьютера в режим сна и пробуждение его от сна. Если ваш компьютер не - ноутбук, то единственно полезная функция от ACPI в плане управления питанием – это автоматическое отключение блока питания.

Вторая функция ACPI - это автоматическое распределение системных ресурсов внутри компьютера. Пока ACPI в действии, вы не можете изменить никаких параметров, связанных с прерываниями. Более того, система ACPI поддерживает работу расширенного контроллера прерываний APIC.

APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) - усовершенствованный программируемый контроллер прерываний. Для многопроцессорных систем это необходимая система, так как позволяет распределить меж процессорами нагрузку по работе с устройствами. То есть, этот контроллер можно запрограммировать на обработку некоторых линий прерываний первым процессором, а некоторых - вторым. Для однопроцессорных систем эта опция всего лишь включает возможность использования в операционных системах WindowsXP и Windows2000 виртуальных прерываний. Мы не будем приводить алгоритмы работы виртуальных прерываний. Это бессмысленно, их нельзя менять, и они сильно зависят от реальных. Если у вас однопроцессорная система, то отключение этой функции весьма рекомендовано, но об этом позднее.

IRQ Sharing – система? позволяющая двум устройствам одновременно находиться на одном прерывании. Физически получается так, что на одной линии IRQ может висеть несколько устройств, при этом менеджмент между ними обеспечивается операционной системой. IRQ Sharing - неоднозначная система, так как использование её необходимо для нормальной работы ПК, но при этом возможны самые разнообразные проблемы и глюки. На самом деле, использование и укрощение именно этой системы и есть цель этой статьи.

Совокупность вышеописанных систем была признана стандартом и включена в список требований к компьютерному оборудованию - PC2001. После реализации ACPI и IRQ Sharing на всех материнских платах, начиная с материнских плат для Pentium 1 (VX и TX чипсеты от Intel), сложилась раскладка прерываний, которая существует в каждом компьютере и по сей день. Вот она:

Как видно из таблицы, свободных прерываний практически не осталось. Свободными можно считать только IRQ 5 и 10, всё остальное занято. По логике, как раз их-то и надо использовать для видеокарты и аудиоплаты. Но устройств, требующих собственное прерывание и не описанных в этой таблице, может быть куда больше. В таблицу они не включены, так как являются опциями, то есть могут быть в системе, а могут и не быть. Например: сетевая карта, контроллер RAID или SCSI, ТВ-тюнер, SATA, IEEE1394 (FireWire) и так далее. То есть, может сложиться ситуация, когда на два свободных прерывания будет восемь устройств, требующих собственного прерывания. Есть три способа решения этой проблемы. Каждый способ имеет свои плюсы и минусы.

Первый способ – это полноценное использование систем ACPI и IRQ Sharing. Если системы ACPI, а соответственно и APIC, включены, то операционная система считает, что у неё 256 прерываний, при этом реальных прерываний как было 16, так и осталось. Оставшиеся 240 прерываний – это виртуальные прерывания, которые являются клонами реальных. ACPI автоматически распределяет прерывания и не позволяет пользователю их менять. Если устройство соглашается работать в режиме кооперации с другим устройством, то есть все шансы, что ACPI посадит их на одну физическую линию. Если не контролировать данную ситуацию, то на одном физическом прерывании могут оказаться практически все устройства, установленные в компьютере, даже если есть свободные прерывания. Это приведет к сильнейшему торможению всей системы и серьезным сбоям в работе.

Решение:
Плюс данного подхода в отсутствии потребности вмешательства со стороны пользователя. То есть, делать ничего не надо. Просто воткнуть в материнскую плату видеоадаптер, процессор, память и так далее, а затем поставить операционную систему, которая нормально поддерживает ACPI. А это Windows XP или Windows 2000. Всё. Компьютер заработает. Именно в таком виде продаются почти все компьютеры, собранные в России. Подход прост: если работает и тормозит – то это не гарантийный случай, а проблема пользователя.

Второй способ заключается в отказе от использования ACPI и APIC, но с параллельным использованием IRQ Sharing. Отказ от систем ACPI и APIC означает, что операционная система знает о наличии у неё только 16 прерываний, а не 256, но система IRQ Sharing позволяет находиться на одном прерывании нескольким устройствам. При этом отслеживать картину прерываний уже можно, и выбирать соседей по своему усмотрению - тоже. То есть, если у вас есть сетевая плата и звуковая карта, и при этом нужны все порты ввода-вывода установленные в материнскую плату, то от IRQ Sharing уже никак не отделаться.

Решение:
Современные материнские платы обладают некоторыми особенностями, которые необходимо знать для корректного разведения линий прерываний по устройствам. Так, все встроенные в материнскую плату устройства чаще всего имеют жесткую привязку к слотам расширения PCI, а некоторые слоты жестко привязаны друг к другу. К примеру, у вас есть встроенная в материнскую плату звуковая карта, при этом она автоматически кооперируется с устройством в третьем слоте PCI. Если вы вставите сетевую плату в третий слот, то встроенная звуковая карта и сетевая плата будут висеть на одном прерывании, чтобы вы ни делали. Решить этот конфликт можно, переставив сетевую карту в другой слот. Или другой пример: пятый и первый слот PCI привязаны друг к другу, и установив два устройства в эти слоты, вы автоматически вешаете их на одну линию прерывания. Опять же, это лечится переустановкой одного из устройств в другой слот. К сожалению, современные материнские платы имеют столько встроенных устройств, что найти свободный слот PCI без запаралеленных устройств бывает невозможно. В этом случае всё зависит от устройства.

Все локальные устройства, находящиеся в компьютере можно разбить на четыре группы по степени зависимости от прерывания.

К первой группе можно отнести видеокарту и контроллеры жестких дисков. Эти устройства должны иметь выделенное прерывание и ни в коем случае не должны его делить с чем бы то ни было. То есть, на одном прерывании с видеокартой не должно находиться ни одного устройства, в противном случае страшные глюки и тормоза гарантированы. Ко второй группе можно отнести менее ресурсоемкие устройства, например аудиоплату, ТВ-тюнер, софтверный внутренний модем (WinModem) или сетевую карту. Эти устройства могут сосуществовать на одном прерывании с устройствами из групп, которые мы опишем ниже. Тем не менее, если есть возможность, устройства, относящиеся ко второй группе, тоже желательно разместить на отдельном прерывании, так как при серьезной нагрузке возможны различные сбои. Вторая группа - эта зона риска, так как абсолютно непонятно, какое устройство с каким может войти в конфликт при использовании уже задействованных ими прерываний. Стабильность в этом случае достигается методом проб и ошибок. Единственное, что можно сказать однозначно – на одном прерывании не стоит размещать два устройства второй группы, это приведет к сбоям в работе. Третья группа - это все порты ввода вывода, USB, COM-порты, возможно LPT, IEEE1394 (FireWire), аппаратные внутренние модемы и прочие устройства не сильно загружающие компьютер. Устройства из третьей группы могут присоединяться к устройствам из второй и к самим себе. То есть, на одном прерывании могут висеть все порты USB или же один порт USB висит вместе с аудиокартой или ТВ-тюнером. Также можно повесить контроллер FireWire вместе с USB или СOM портом. Ну а четвертая группа - это устройства, не требующие прерываний. Это довольно редкая группа, и тем не менее, она существует. Например, к этой группе относились ускорители трехмерной графики от 3dfx – Voodoo и Voodoo 2. Да, кстати, если вдруг вы видите что у вашей видеокарты или USB-портов прерывание отсутствует (буковки NA - то есть Not Available), то это не значит что у вас такая редкая, хорошая видеокарта. Это с большой долей вероятности значит, что у вашего компьютера проблемы, которые надо решать немедленно. У устройств, не требующих прерывания, в инструкции об этом написано большими буквами.

Надо понимать, что все вышеперечисленные устройства могут обладать уникальными свойствами в зависимости от производителя или прошивки. Все вышеописанные правила работают не всегда и не однозначно. У вас легко может оказаться ТВ-тюнер или сетевая карта, которая напрочь откажется работать с кем-либо в паре. Или наоборот, ваша звуковая карта может вдруг повести себя стабильно на одном прерывании вместе с ТВ-тюнером. Конфликтовать умеют даже устройства, относящиеся к четвертой группе. Чаще всего они начинают глючить, если поставить их в запаралеленный с AGP слот. При этом на понимание всех особенностей конкретно вашего железа может уйти значительное время.

Пожалуй, второй способ - самый часто используемый. При некотором понимании вопроса можно создать практически безглючный компьютер, в котором все устройства, установленные в него, будут функционировать. Минусом второго способа является потеря функций ACPI и наивысшая из всех способов сложность. Для рядового пользователя достижение нормальных результатов может занять долгое время и вызовет сильный перегруз мозгов. Плюс к этому, компьютер больше не будет сам выключаться (его придется выключать кнопкой «Power») и не будет засыпать. Что же касается режима Hybernate, то он полностью сохранит свою функциональность.

Третий способ - самый правильный, но требует жертв.

Суть способа в полном отказе от систем ACPI и IRQ Sharing. А устройства, которые лезут на одну линию IRQ нужно просто отключать. Must be only one!, как говорил товарищ из фильма «Горец».

Решение:
Для начала нужно отключить все порты, которые не используются. Не пользуетесь LPT – отключить. Не пользуетесь вторым COM-портом и дополнительными USB-каналами – та же судьба, отключить. Каждое устройство должно иметь отдельное прерывание и ни с кем не пересекаться. Это вопрос приоритетов и потребностей, потому что при использовании данного способа половина компьютера оказывается «в отключке», зато всё остальное работает как часы. Плюс этого способа в возможности использования устаревших операционных систем и сложных программ. Например, для установки WindowsNT 4.0 на достаточно сложную машину этот способ просто необходим. Также плюс такого подхода - максимальное быстродействие всей системы без проблем со стабильностью. Если есть возможность, желательно идти именно этим путем.

Как понять, есть ли конфликты в вашем компьютере, и что делать

Самый простой способ разобраться в конфликтах - это нажать кнопку PAUSEBREAK в момент начальной загрузки компьютера, а точнее, на втором экране BIOS. Для этого нужно обладать некоторой реакцией, так как второй экран загрузки пролетает очень быстро, и его еще нужно поймать. Также загрузку операционной системы можно остановить, поставив в BIOS приоритет загрузки с флоппика и засунув в оный какую-нибудь странную дискету. Во втором экране BIOS есть вся системная информация о железе - тактовая частота процессора, количество памяти и модели установленных жестких дисков, но самое интересное находится внизу экрана. Там перечислены установленные устройства, а напротив них стоит цифра прерывания. Показываемые на этом этапе устройства сильно зависят от модели материнской платы, а точнее от реализации BIOS.

Бывает, что список отображаемых устройств бывает полным и включает в себя контроллеры жестких дисков и все устройства, находящиеся на плате, вплоть до COM-портов. Бывает и наоборот: информации довольно мало, тогда видно только установленные устройства (как на скриншоте). А бывает, что второй экран BIOS вообще не содержит информации о прерываниях. В таком случае стоит воспользоваться другими программами, которые способны отображать физическое распределение прерываний.

Например, можно использовать стандартный диспетчер устройств, переключив его вид на «ресурсы по подключению» и раскрыв раздел «запрос на прерывания (IRQ)», или воспользоваться сторонними программами типа SiSoft Sandra.

Единственный минус их использования состоит в том, что они видят номера прерываний через призму операционной системы. Если используется система ACPI и APIC, то получить корректную информацию об аппаратных прерываниях будет весьма непросто, так как номеров будет не 16, а 256. Нас интересует ситуация, когда цифры не повторяются. Если одна и та же цифра стоит напротив USB Cntrlr, Display Cntrlr и Multimedia Device (аудиоплата или TB-тюнер), то дело совсем плохо. Например, данное окно говорит о следующем:

В компьютере используется система ACPI, APIC и IRQ Sharing, так как прерываний больше 15, и они пересекаются. Есть конфликт меж сетевой картой и звуковой платой, которые находятся на 18 прерывании. Также есть совсем несущественный конфликт меж всеми ветками USB на 21 прерывании, но это скорее норма. В целом - система стабильна, но для обеспечения большей стабильности требуется отключить ACPI и развести на разные прерывания сетевую и звуковую плату.

Как решать и что делать

Нужно понимать, что действия по разрешению конфликтов могут привести к полному падению операционной системы и потере данных. Сделайте резервные копии ваших документов, запишите все пароли и сетевые настройки, и только после этого предпринимайте действия. Лучше всего экспериментировать на свежеустановленной операционной системе и иметь возможность переустановить её после проведения всех действий, если что-то сложится некорректно. Само собой, автор и редакция не несут никакой ответственности за результаты ваших экспериментов.

Шаг первый: изучаем BIOS

Для начала нужно посмотреть на опции в BIOS вашего компьютера. И ничего там не трогать, в противном случае шансы на загрузку уже установленной операционной системы сильно падают. Вне зависимости от производителя BIOS и материнской платы, необходимые для работы опции могут присутствовать, а могут и отсутствовать. Стандарта для этих опций не существует, поэтому они могут иметь разные названия и находится в разных разделах BIOS. Но, применяя дедуктивный метод Шерлока Холмса, их все же можно найти. Для примера мы приведем названия этих опций в Award BIOS материнской платы GigaByte. Самые важные для нас опции находятся в разделе PnPPCI Configuration и выглядят как номера слотов и привязанные к ним номера прерываний, которые можно менять.

С помощью этих опций можно добиться правильного распределения приоритетов линий прерываний к устройствам:
PCI 1 IRQ Assigment: Auto (Auto, 3,4,5,7,9,10,11,14,15)
PCI 2 IRQ Assigment: Auto (Auto, 3,4,5,7,9,10,11,14,15)
PCI 3 IRQ Assigment: Auto (Auto, 3,4,5,7,9,10,11,14,15)
PCI 4 IRQ Assigment: Auto (Auto, 3,4,5,7,9,10,11,14,15)

То есть, можно руками менять прерывания для слотов и привязанных к ним устройств. Если все опции выставлены в Auto, то распределением прерываний занимается автомат с алгоритмом, очень схожим с алгоритмом системы ACPI. Иногда бывает указание прерываний не цифрами, а буквами – A,B,C,D. Так же, как в случае с цифрами, буквенные прерывания позволяют собой управлять, при этом наивысший приоритет – у буквы А.

Если же этих опций нет, то приоритеты менять нельзя и единственный способ воздействия на раскладку прерываний - это отключение устройств и перестановка плат расширений по слотам.

PnP OS Installed: Yes (No)

Эта опция сообщает BIOS, что распределением прерываний занимается сама операционная система. Иногда после изменения значения на NO открывается возможность контроля приоритетов по слотам.

ACPI Function: Enable (Disable)

Понятное дело, эта опция включает и отключает поддержку ACPI в BIOS. Если отключить эту опцию перед инсталляцией операционной системы, то, возможно, ядро ACPI и не будет инсталлировано (сильно зависит от версии и типа BIOS).

Interrupt Controller: APIC (PIC)

Как уже описывалось ранее, эта функция имеет разное значение на однопроцессорным и многопроцессорных системах. На однопроцессорных системах она разрешает операционной системе использование виртуальных прерываний. Если опцию поменять на PIC при инсталлированной операционной системе с ACPI ядром, то операционная система больше не загрузится, до исправления этого значение обратно на APIC. Если выставить опцию в PIC до инсталляции операционной системы, то ACPI-ядро не будет использовать виртуальные прерывания и нбудет слушать предписания BIOS при сохранении энергосберегающих функций. Полезная вещь, так как при присутствии этой опции и возможности реинсталлировать операционную систему есть возможность сохранить функции ACPI при отключении проблемной части ACPI с самостоятельным разведением прерываний. Минус - крайне редко встречается на однопроцессорных системах.

Также полезны опции по отключению устройств:
Midi Port Adress – можно отключить Миди порт
Onboard Parallel Port – можно отключить LPT порт
Onboard Audio – можно отключить встроенную звуковую плату
Onboard LAN Control – можно отключить встроенный сетевой адаптер
USB Host Controller – можно отключить USB порты
Onboard Serial ATA – можно отключить Serial ATA
Onboard RAID – можно отключить RAID-контроллер.

Если указанные выше устройства не используются, то выставление Disabled отключит их и освободит используемые ими ресурсы.

Шаг второй – Карта прерываний

Ищем документацию от материнской платы. Если повезет, то в ней вы найдете карту прерываний для вашей материнской платы, которая выглядит следующим образом:

Буквами вверху обозначены линии прерываний IRQ, левый столбец - это список устройств и слотов, установленных на вашей материнской плате. Указание shared означает, что устройство может работать в режиме кооперации с другими устройствами, used означает невозможность режима кооперации. Обратите внимание: линий прерываний целых 7, а раньше мы говорили, что полностью свободных линий всего пять. Это означает, что буквенные индексы тоже могут кооперироваться при нехватке ресурсов. После расшифровки информации в этой таблице получается вот что. Если у вас есть графический акселератор, установленный в AGP слот, то установка устройств во второй и шестой PCI-слоты строго запрещена, так как они используют идентичную физическую линию IRQ. Одновременная установка плат расширения в 1 и 5 слот также запрещена. У вас есть выбор: 1 или 5 слот, в противном случае оба устройства будут висеть на одном прерывании. Установка устройства в третий слот вызовет конфликт прерываний с портом 1394 и контроллером SerialATA. Если эти порты не используются, то их отключение освободит третий слот. К тому же, если вы используете SerialATA, который относится к устройствам первой группы, то просто необходимо отключить порт 1394 и не пользоваться третьим слотом. Все USB контроллеры висят на одном прерывании и вы с этим ничего не сделаете, впрочем, и не надо. Встроенная сетевая карта разделяет четвертый слот. Если используется, то четвертый слот тоже не занимать. Отключив сетевую карту, можно использовать четвертый слот по своему усмотрению. Вывод прост: в компьютер безболезненно можно установить одну плату расширения в 1 или 5 слот и видеоакселератор в слот AGP. Если нужны еще слоты, то нужно что-то отключать.

Более того, прерываний на все эти устройства всё равно не хватит, поэтому нужно освободить неиспользуемые линии IRQ. Радует только одно: типов установленных устройств не так много. Редко бывают нужны в компьютере две сетевые платы или две звуковые карты. Если используется SerialATA, то чаще всего не нужны оба канала контроллера UATA, занимающий 14 и 15 прерывание. Одно из них можно освободить, учитывая, что второе занимает CD-ROM. И так далее.

Если вы обратили внимание, не все буквенные индексы в таблице привязаны к слотам расширения PCI. Например, линия F, на которой висит USB, не привязана к слотам, в то время как из BIOS контролируются только номера прерываний для слотов. Линией F управляет внутренняя автоматика BIOS. А эта автоматика будет кооперировать эту линию IRQ с чем попало. Чтобы разрешить конфликты с этой веткой? вам потребуются шаманский бубен, кроличья лапка и большая подкова. На самом деле вам придется менять конфигурацию раскладок прерываний для слотов до тех пор, пока линия F не встанет на устраивающее вас значение. Каждым изменением вы заставляете автоматику пересчитать всю конфигурацию, и каждый раз автоматика будет назначать новое значение для линии F. Если таких бесконтрольных линий больше чем одна, задача усложняется. В нашем случае бесконтрольной осталась линия G. Но терпение и труд, как известно, всё перетрут.

Мы описали карту прерываний от материнской платы Asustek A7V8X, конкретные же карты прерываний у каждой материнской платы свои. Но основные принципы вычисления зависимостей по этому описанию можно понять.

Если же у вас нет карты прерываний в документации, то это просто осложняет задачу. Вам придется составить эту карту самостоятельно. Для опытных людей, занимающихся железом, составить эту карту в голове, ничего не записывая, не очень сложно. Для новичков может потребоваться бумага и ручка. Нарисуйте таблицу, схожую с приведенной выше. Слева перечислите устройства, сверху - линии IRQ. Зайдите в BIOS, выставите для каждого слота разное прерывание, а затем устанавливайте плату расширения в слоты PCI по порядку и смотрите номер прерывания во втором экране BIOS. Номер IRQ у переставляемой вами платы будет меняться в зависимости от слота. Также изменятся номера прерываний у скооперированных со слотами PCI встроенных в материнскую плату устройств, причем изменятся в соответствии с выставленными вами номерами IRQ для слотов PCI в BIOS. Если же устройство обладает собственной линией, как, например линия F для USB, то оно будет менять значение совсем нелогично, например перескакивая номером IRQ с одного слота на другой.

Шаг третий – Изменения в операционной системе

Самым первым изменением, с которого мы начнем настройку системы, будет замена ядра операционной системы для отключения функций ACPI. Как уже упоминалось ранее, после этого компьютер потеряет все энергосберегающие функции и перестанет сам выключаться после завершения работы операционной системы. Для этого нужно зайти в контрольную панель, выбрать иконку «Система», затем перейти в закладку «Оборудование» и нажать на «Диспетчер устройств». Затем открыть раздел «Компьютер» и двойным кликом нажать на «Компьютер с ACPI». Выбрать закладку «Драйвер» и нажать на кнопку «Обновить».

Выбрать «установку из указанного места», а затем отказаться от автоматического поиска драйвера и выбрать установку драйвера вручную. В появившемся окне убрать галочку «только совместимые устройства» и выбрать драйвер «Стандартный компьютер».

После нажатия на кнопку «Далее» компьютер скопирует необходимые файлы и уйдет на перезагрузку. После перезагрузки компьютер начнет находить ВСЕ устройства заново, включая системные устройства, но будет находить драйверы для них в автоматическом режиме. Некоторые устройства не проходят автоматическую установку, но для них достаточно выбрать автоматический поиск драйверов. После этого компьютер еще раз перезагрузится и после этого заработает в нормальном режиме. Всё, система ACPI отключена. Для того, чтобы снова включить ACPI, нужно повторить все вышеописанные действия, только выбрать «Компьютер с поддержкой ACPI».

Теперь вся системная информация касательно линий прерываний внутри операционной системы соответствует действительности. Номера прерываний соответствуют реальным. Это означает, что для мониторинга прерываний теперь можно использовать различные утилиты, показывающие прерывания в среде Windows.

Так выглядит раскладка прерываний после отключения ACPI и с сохранением IRQ Sharing. Кстати сказать, на скриншоте приведена раскладка прерываний с разрешенными основными конфликтами. Только RAID массив конфликтует с SMBus, но этот конфликт разрешить нет возможности, так как встроенный RAID-контроллер связан с SMBus картой прерываний. Приоритеты линий прерываний соответствуют типу устройств. В этом компьютере конфликты решены вторым способом, никаких доработок и изменений не требуется.

Шаг четвертый – Изменения в BIOS

Фактически, этот шаг является обобщением действий, описанных выше, только если выше были описания, то сейчас нужно предпринимать реальный действия, поэтому прошу прощения за некоторые повторения. Первым делом меняем опции в BIOS, если они конечно присутствуют:
PnP OS Installed: NO
ACPI Function: Disabled
Interrupt Controller: PIC

Далее отключаем ненужные порты и устройства, использовать которые вы в ближайшее время не собираетесь, за счет этого освобождаете дополнительные ветви прерываний. Из получившейся картины с помощью карты прерываний вычисляем свободные слоты PCI. Если таковых нет, то ищем слоты PCI, которые делят прерывание с устройствами из третьей группы (порты ввода-вывода). Переставляем платы расширения именно в эти слоты, соблюдая правила описанные во втором способе (ссылка). Далее снова заходим в BIOS и с помощью опций назначения номера IRQ определенному слоту выставляем приоритеты для устройств, располагая их следующим образом. Чем выше группа, к которой принадлежит устройство, тем выше приоритет линии прерывания для него. То есть, для видеокарты это 9, 10 или 11, то же самое для контроллера жесткого диска (RAID, SATA, SCSI) и аудиоплаты. ТВ-Тюнер и сетевую карту можно повесить на 3, 4 или 5 прерывание. А для USB подойдет 7. Естественно, вы знаете лучше свой компьютер и свои потребности. Возможно, для вас наибольшее значение будет иметь как раз USB, и тогда вы будете стараться повесить USB на 10 или 11 прерывание. Все это вы должны решить для себя сами. Далее, нужно настроить устройства, которые не имеют контроля номера линии прерывания из BIOS. Для этого нужно менять прерывания для устройств в пределах приоритетов прерываний для них, то есть, погонять видеокарту с 9 по 11, так же аудио и остальные устройства. Методом перебора вы загоните автоматическую линию на требуемое значение. Скорее всего, это окажет некоторые воздействие на конечную раскладку прерываний. То есть, вы хотели повесить видео на 10, но в результате повесили на 11, только для того, чтобы USB ушло на 7. Как только вы добьетесь результата, который вас устроит, загружайте операционную систему и наслаждайтесь скоординированной работой компьютера. Только помните, включение в BIOS или физическое добавление еще одного устройства приведет снова всю систему прерываний в ХАОС, который придется решать заново.

Выводы

Весьма непросто бывает объяснить системы, которые представляют из себя не линейную информацию, а переплетение различных кусков информации в сочетании с интуицией и логикой, человеческой логикой, а не компьютерной. Из-за отсутствия упорядоченной информации и отточенных технологий, каждый человек умеющий решать конфликты внутри компьютера считает себя чуть-чуть магом, потому что каждый это делает немного по своему. У всех есть маленькие хитрости и секреты. Для того, чтобы сделать этот текст хотя бы немного понятным я старался не заострять внимания на объяснениях всех действий и точным описанием всех функций и спецификаций. Тем не менее, если у вас возникнут вопросы или комментарии, автор статьи с удовольствием выслушает и ответит на них. Мы надеемся, что эта статья поможет начинающим компьютерщикам разобраться в сложившейся ситуации.