Entradas/Saídas. Programação por interrupções Conceitos gerais Programação da porta série Transmissão

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1 Entradas/Saídas Programação por interrupções Conceitos gerais Programação da porta série Transmissão

2 Problemas a resolver Como identificar a interrupção? Motivo da interrupção Que rotina executar? Como lidar com múltiplas interrupções? Uma rotina de tratamento de interrupções pode ser, por sua vez, interrompida? Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 668

3 Como identificar a interrupção? Interrogação por software? Consulta-se o registo de estado de todos os controladores? Lento! Uma linha diferente para cada controlador? Limita o número de controladores (e periféricos) ao número de linhas de interrupção no CPU Identificação por hardware? Existe um dispositivo capaz de identificar o controlador que interrompeu Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 669

4 Controlador de Interrupções Arbitra a linha de interrupção do CPU Funcionamento do CPU e Controlador de Interrupções: 1. Quando de um interrupção o CI activa a linha de interrupção do CPU 2. CPU aceita a interrupção e activa a linha de interrupt acknowledge 3. O controlador coloca um valor no bus de dados; o CPU usa esse valor para identificar a interrupção e qual deve ser a rotina de tratamento a chamar Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 670

5 Controlador de Interrupções CPU Int (1) (2) Int Ack Controlador de interrupções (3) Controlador periférico Linhas de dados do bus de entrada/saída Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 671

6 Interrupções vectorizadas O número da interrupção serve como índice numa tabela com endereços de rotinas (o vector de interrupções) Vector Interrupções (memória) Cada posição do vector contém o endereço da rotina a chamar para essa interrupção interrupção número Endereço da rotina de tratamento 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 672

7 Inicialização do vector de interrupções Por segurança, quando o CPU começa a funcionar o sistema de interrupções está desligado Os controladores só começam a lançar interrupções depois de instruídos pelo CPU (pelos programas) para o começarem a fazer Tipicamente é o SO que inicializa o vector de interrupções, antes de ocorrer a 1a. interrupção Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 673

8 O estado do sistema de interrupções O estado do CPU contém uma flag Interrupt Flag (IF) que indica se as interrupções estão ou não habilitadas Inicialmente a IF está a 0 interrupções não permitidas Há instruções máquina para ligar e desligar as interrupções São naturalmente instruções privilegiadas Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 674

9 Ciclo de execução de instruções CICLO { Fetch: IR Mem[PC] PC PC actualiza P.C. -- obtém a instrução na posição de memória -- apontada pelo P.C. Decode/Execute: -- descodifica e executa a instrução em IR } se ( IF && INTR ) { -- interrupções activas e chega interrupção salva o P.C. e as flags (push para o stack ) IF 0 passa CPU ao "modo supervisor" identifica a origem da interrupção (via C.I.) P.C. vect_intr[número_da_interrupção] -- semelhante a um call ao endereço do interrupt handler } Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 675

10 Fim da rotina de tratamento Quando a rotina de tratamento de interrupção termina é executada a instrução máquina Interrupt Return Esta instrução Desempilha o PC, o que faz retomar a execução no ponto em que a execução normal foi interrompida Também restaura o valor das flags. Isto permite: Retomar a execução no ponto onde se encontrava com as flags como se encontravam na altura em ocorreu a interrupção O bit de modo é restaurado. O modo volta a ser modo utilizador Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 676

11 Fim da rotina de tratamento Nos Intel há uma instrução máquina que se encarrega disso: IRET Interrupt Return A instrução faz o equivalente a: POP flags RET A execução retoma no ponto onde se encontrava quando ocorreu a interrupção e com as flags no estado em que estavam Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 677

12 Salvaguarda/restauro do estado da computação O hardware só salva automaticamente o PC e as flags É a rotina de tratamento de interrupções que tem a obrigação de salvar os registos do CPU que estraga. Alguns CPUs têm instruções máquina para empilhar / desempilhar todos os registos Interrupt_handler: pushall ; empilha todos os regs... ; tratamento da interrupção popall ; restaura todos os registos iret ; interrupt return Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 678

13 Troca de contexto Processamento normal: (modo utilizador) Empilhar PC e flags Rotina de tratamento: (modo supervisor) pushall INT Restaura PC e flags popall iret Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 679

14 Interromper interrupções Quando se entra na rotina de tratamento, IF está a 0 Se nada for feito, só será colocada a 1 quando do interrupt return Mas as interrupções devem estar fechadas o menos tempo possível - podem-se perder dados que cheguem ou tornar a sua saída mais lenta. A rotina de tratamento deve fazer IF 1 assim que seja seguro. Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 680

15 Interrupções de múltiplos controladores As necessidades dos controladores diferem: Tempo máximo ao fim do qual têm de receber atenção Duração do processamento da interrupção O processamento de uma interrupção de um periférico lento pode levar mais tempo do que o tempo máximo entre interrupções de um periférico rápido Para satisfazer estas diferenças são atribuídas prioridades diferentes aos controladores Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 681

16 Prioridade das interrupções (1) Múltiplos níveis de interrupção ou múltiplas prioridades para as interrupções O CPU (e o seu controlador de interrupções) definem vários níveis para as prioridades A cada periférico é atribuída um nível (N): Exemplo: maior (N) 0 prioridade mínima prioridade máxima A rotina de atendimento de interrupções do nível i pode ser interrompida para executar a rotina de atendimento de um periférico de nível j, se j < i Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 682

17 Prioridade das interrupções: Exemplo Periférico rápido (disco) prioridade/nível 1 Periférico lento (impressora) prioridade/nível 2 Se estamos a executar a rotina de tratamento da impressora e chega uma interrupção do disco: vai-se executar a do disco. Quando esta acaba voltamos à rotina da impressora; quando esta acaba volta-se ao programa que estava a correr (nível N) Programa (nível N) Rotina impressora (nível 2) Rotina disco (nível 1) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 683

18 Tipos de interrupções Externas: ligadas ao hardware: Dispositivos de entrada/saída (I/O) Falha no hardware Internas: ligadas ao software (devido à instrução executada): Excepções (exemplos: divisão por 0, overflow, acesso a memória não autorizada, execução de instrução privilegiada em modo utilizador,...) Interrupção por software: existe uma instrução máquina que provoca deliberadamente uma interrupção Pode ser usada para fazer chamadas ao sistema Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 684

19 Mascarar interrupções Algumas interrupções podem ser mascaradas (ignoradas) Tipo de interrupção Externa Excepção Por software Mascarável? Sim Algumas Não Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 685

20 Exemplo Intel - PC 80x86/Pentium têm uma linha de interrupções gerais A flag IF é alterada pelas instruções STI Set interrupts CLI Clear interrupts O retorno da rotina de tratamento é feito pela instrução IRET Instrução de interrupção por software: INT nº Suportam até 255 tipos de interrupções, vectorizadas O vector está na memória a partir do endereço 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 686

21 Relembrando o primeiro exemplo SYS_EXIT equ 1 LINUX_SYSCALL equ 0x80 global _start section.data A: dd 24 B: dd 1 C: dd 0 section.text _start: mov eax, [A] add eax, [B] mov [C], eax mov eax, SYS_EXIT mov ebx, 0 int LINUX_SYSCALL Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 687

22 Exemplo Intel - PC Usam um controlador de interrupções programável -- PIC (8259A ou equivalente) Define as prioridades entre interrupções O identificador de cada interrupção, usado como índice no vector de interrupções CPU CPU INTR INTA bus dados (8bits) reg. Máscara 0x21 reg. Comando 0x20 IRQ0 IRQ1 IRQ2 IRQ3 IRQ4 IRQ5 IRQ6 IRQ7 Controladores Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 688

23 Controlador 8259A (PIC) Registo de máscara: cada bit i a 1 indica que a linha IRQi está mascarada (ignorada) Cada IRQ tem associado no PIC um número de identificação No passado existiam apenas 8 designações de IRQ (0-7) Actualmente existem mais 8: IRQ 8 a 15 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 689

24 Controlador 8259A (PIC) Registo de comando Permite programar a forma de atendimento, os identificadores, etc. Comando: End of Interrupt (EOI) informa o PIC que a rotina de atendimento acabou (código 0x20) reg. Máscara 0x21 reg. Comando 0x20 IRQ0 IRQ1 IRQ3 IRQ4 IRQ5 IRQ6 IRQ7 reg. Máscara 0x21 reg. Comando 0x20 IRQ8 IRQ9 IRQ10 IRQ11 IRQ12 IRQ13 IRQ14 IRQ15 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 690

25 Máscara de IRQs Registo de máscara, indica IRQ ignorados pelo PIC 8 bits se 1 - nível (IRQ) desligado Exemplos: Desligar o nível IRQ3 se 0 nível ligado cli in al, 0x21 or al, B out 0x21,al sti Ligar o nível IRQ4 cli in al, 0x21 and al, B out 0x21,al sti Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 691

26 Prioridades no PIC Cada IRQ é um nível de prioridade de interrupções: 0 mais prioritário; 7 menos prioritário O segundo controlador está ligado ao 2 Logo a ordem de prioridades é: 0-1, 8-15, 3-7 Quando uma interrupção é aceite pelo CPU todas as IRQ de maior nível ficam pendentes Cada rotina de tratamento deve terminar com o comando EOI: out 0x20, 0x20 Indica que todos os IRQ ligados podem voltar a ser atendidos RotAtendimento: sti... out 0x20, 0x20 iret Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 692

27 Interrupções na Porta Série 1 COM1: tem atribuído o IRQ4; identificação 12 CPU INTR INTA PIC reg. Máscara 0x21 reg. Comando 0x20 IRQ0 IRQ1 IRQ2 IRQ3 IRQ4 IRQ5 IRQ6 IRQ7 UART (controlador da porta série) IER MCR 0x3F9 0x3FC Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 693

28 Interrupções na Porta Série 1 Para a UART gerar interrupções é preciso: Colocar a 1 o bit 3 do registo MCR (Modem Control Register) - 0x3FC Depois é necessário indicar quando é que queremos que sejam geradas: Para tal modificamos o registo IER (Interrupt Enable Register) 0x3F9: Interrupção quando chega um carácter (RBR READY) colocar a 1 o bit 0 Interrupção quando o buffer de transmissão está vazio (THR EMPTY), ou seja, o controlador está pronto a enviar colocar a 1 o bit 1 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 694

29 Operação por interrupções Inicia-se vector de interrupções, PIC e UART Quando existe uma transferência para fazer, o controlador da porta série passa a indicar (por int.) quando se pode fazer a leitura/escrita nos registos de dados É a rotina de tratamento da interrupção que escreve (OUT) no porto de Dados THR ou lê (IN) do porto de Dados RBR, a quando da interrupção A rotina usa um buffer como origem ou destino do próximo byte a enviar/recebido Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 695

30 Relembrar a transmissão com espera activa Para enviar um byte pela porta série temos: void send_serial (unsigned char b ) { unsigned char s; } do { s = // Conteúdo do registo de estado (LSR) } while ( /* bit THR vazio de LSR == 0 */ ); // Escrever b para o registo de dados a enviar Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 696

31 Transmissão com interrupções Envio de caracteres pelo programa Inserir na 1ª posição livre buffer Remover o byte mais antigo Rotina de tratamento da interrupção número 12 Interrupção 12 (IRQ4) Byte UART 1 A gerar interrupçõe s quando THR vazio Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 697

32 Transmissão com interrupções A a rotina send_serial envia o byte para um buffer Se necessário espera em ciclo que haja espaço no buffer (esta situação não deve ser comum) Se o buffer está vazio, deposita o carácter no buffer e liga as interrupções na UART Esta operação desencadeia a leitura do buffer para o periférico send_serial(ch) { while (buffull()) ; // esperar } if (bufempty()) else bufput(ch); /* ligar interrupções THR vazio */ bufput(ch); Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 698

33 Transmissão com interrupções Vamos definir novas constantes simbólicas: #define PIC_COMMAND 0x20 #define EOI 0x20 A rotina de interrupções desliga as interrupções da UART se o buffer ficar vazio Rotina de tratamento de interrupções THR vazio { } // ler byte do buffer // escrever byte para a porta if (buffer vazio) /* desligar interrupções para THR vazio */ // Enviar EOI para o PIC Arquitectura de Computadores (2008/2009): Entradas/Saídas 699

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