Думаю, многие любознательные пользователи, наверняка не раз встречали такое сокращение, как IRQ. Его можно встретить, например, если вы любите заглядывать в программу «Менеджер устройств» в Windows. Если вы выберете любое устройство, к примеру, клавиатуру, выберете при помощи правой кнопки мыши пункт меню «Свойства», и в появившемся окне сделаете активной закладку «Ресурсы», то в списке ресурсов вы увидите надпись IRQ 01.

Что же такое IRQ и для чего оно нужно?

Аббревиатура IRQ расшифровывается как Interrupt ReQuest (запрос на прерывание). Для того, чтобы понять, для чего оно нужно, следует вспомнить подробности организации работы персонального компьютера.

Кровеносной системой компьютера, по которой обмениваются информацией процессор и прочие устройства, является системная шина. Но как вообще процессор способен отличить запросы на обработку информации, поступающие по шине от различных устройств?

Для этого и существует система аппаратных прерываний (IRQ). Каждое прерывание имеет определенный номер (нумерация начинается с 0) и закреплено за определенным устройством. Так, за клавиатурой закреплено прерывание под номером 1, отсюда и обозначение IRQ 01.

При поступлении запроса от устройства компьютер прерывает (отсюда и появился сам термин «прерывание») обработку текущей информации и начинает обработку вновь поступившего. Если прерываний несколько, то они обрабатывается в порядке приоритетов, закрепленных за каждым из них. Как правило, чем меньше номер прерывания, тем больший приоритет для процессора имеет устройство, закрепленное за этим прерыванием, но это правило соблюдается далеко не всегда.

Обслуживает обработку IRQ специальный чип, который носит название контроллера прерываний. Как правило, эта микросхема является частью центрального процессора, а иногда выделяется в отдельный чип на материнской плате. Для обработки каждого прерывания в BIOS существует специальная микропрограмма, называемая обработчиком прерывания. Адреса всех обработчиков хранятся в так называемой таблице векторов прерываний.

Раньше, в первых компьютерах семейства XT была распространена 8-разрядная , поэтому всего устройствам было доступно 8 прерываний. С появлением 16-разрядной шины ISA их количество увеличилось до 16.

Настройка Interrupt ReQuest

Надо сказать, что прерывания, закрепленные за некоторыми устройствами, не является фиксированными и их можно изменить программно. Например, IRQ стандартно использующееся последовательным портом Com 2, может использовать и устанавливаемый в слот расширения модем. В современных компьютерах и операционных системах, поддерживающих стандарт PnP и работающих под управлением ОС Windows, значения IRQ для устройств, подключаемых в слоты шины, подбираются автоматически.

Но не все было так просто в прежние времена, когда пользователь должен был вручную устанавливать значение IRQ во многих программах, работавших под операционной системой DOS. Например, при установке в систему звуковой карты, пользователю требовалось выбрать свободное прерывание из очень небольшого числа доступных (как правило, это было IRQ 5) и указать это значение в запускаемой программе, например, в какой-нибудь игре.

Во многих BIOS имеется возможность поменять стандартные значения IRQ в программе Setup. Обычно эта опция располагается в разделах IRQ Resources или PCI/PNP Configuration.

Установка для устройства значения IRQ, равного значению IRQ, уже занятого каким-либо устройством в большинстве случаев приводит к неработоспособности одного из этих устройств или сразу обоих, а иногда чревато и зависанием компьютера.

В более современной шине PCI система управления прерываниями была кардинально изменена, а возможности управления прерываниями были расширены. Благодаря технологии IRQ Sharing, а также стало возможным размещение нескольких устройств на одном канале прерывания, а у внешних устройств, подключаемых в слоты PCI, появилась возможность автоматического распределения ресурсов между собой.

Кроме того, в современных компьютерах обычно используется расширенный программируемый контроллер прерываний (APIC, ), поддерживающий 24 канала Interrupt ReQuest. Расширенный контроллер прерываний выполнен в виде двух микросхем, одна из которых расположена в самом процессоре, а другая на материнской плате. Этот контроллер прерываний впервые появился в системах на основе процессоров Pentium. Однако при этом была оставлена поддержка старой системы прерываний в целях совместимости. Очередным шагом в развитии принципов обработки прерываний является технология Message Signaled Interrupts, поддержка которой появилась в линейке ОС Windows, начиная с Windows Vista.

Не следует путать аппаратные прерывания IRQ c программными прерываниями BIOS, о которых речь пойдет в отдельной статье. Программные прерывания BIOS, как правило, используются для организации работы программного обеспечения с устройствами ввода-вывода и обозначаются при помощи сокращения INT. Многие из них аналогичны по своим функциям аппаратным IRQ, но имеют при этом другие номера.

Список номеров Interrupt ReQuest в стандартной схеме для 16-битной шины ISA:

1. Системный таймер
2. Клавиатура
3. Дополнительный контроллер прерываний (для совместимости с 8-битной шиной)
4. Порты Com 1 и 3
5. Порты Com 2 и 4
6. Свободно (в 8-битной шине - контроллер жесткого диска)
7. Контроллер гибких дисков (FDD)
8. Параллельный порт LPT
9. Часы реального времени CMOS
10. Совмещено с IRQ 2
11. Свободно
12. Свободно
13. Порт мыши PS/2
14. Сопроцессор (в настоящее время практически не используется)
15. Первый контроллер IDE
16. Второй контроллер IDE

Список дополнительных номеров IRQ, которые использует расширенный контроллер прерываний APIC:

1. Контроллер USB
2. Интегрированная звуковая подсистема (AC’97 или HDA)
3. Контроллер USB
4. Контроллер USB
5. Встроенная сетевая карта
6. Свободно
7. Свободно
8. Контроллер USB 2.0

Соответствие номеров IRQ и прерываний BIOS:

Таблица соотношения аппаратных IRQ и программных INT BIOS

Заключение

Итак, в этой статье вы смогли узнать, что означает сокращение IRQ, и что представляют собой аппаратные прерывания. Они являются встроенным механизмом распределения ресурсов компьютера и предназначены для организации доступа устройств к центральному процессору. Правильное распределение и настройка IRQ позволяет избежать конфликтов между устройствами и обеспечить стабильную работу системы.

Михаил Тычков aka Hard

Доброго времени суток.

Давайте рассмотрим такую вот ситуевину: процессор обрабатывает какие-то данные, не важно какие. В этот момент у какого-нить устройства тоже появились данные для обработки. Че делать? Надо просить процессор, что бы тот соизволил обратить на просьбу внимание и решил бы, сейчас обрабатывать эти данные или потом. Так вот эта просьба и есть IRQ или прерывания (вообще-то существуют два типа прерываний: аппаратные (внешние) и программные (внутренние), но поскольку мой раздел называется «Железо и сети», то разговор я буду вести только об аппаратных прерываниях). Строго говоря IRQ – это каналы запросов прерывания, которые используются всевозможными девайсами для того, что бы сообщить процессору о том, что необходимо обработать определенный запрос. Физически, IRQ представляют собой отдельно проложенные линии (проводники) и соответствующие этим линиям контакты в интерфейсах. Все это находится, ессесно на материнской плате. Линии IRQ предназначены только для передачи запросов прерывания.

А ну-ка разберемся, как вся эта фигня с IRQ происходит. Итак, после получения запроса прерывания, камень сохраняет в стеке содержимое регистров. Затем он обращается к таблице векторов прерываний, где есть список адресов памяти программ, соответствующих определенным номерам прерываний. От номера прерывания зависит, какая программа будет запущена. В основном этими программами являются драйвера, относящиеся к устройствам, пославшим запрос (а уж драйвера туго знают свое дело и разберутся, что дальше делать). После всего этого, процедура обработки возвращает из стека то, с чем работал камень, а проще говоря, отдается управление системой той программе, что работала до запроса прерывания. И так постоянно. Сама таблица находится в оперативной памяти и состоит из 256 элементов по 4 байта и начинается с адреса 0000:0000. Занимает она 1024 Кбайт. Надеюсь, что Вы усвоили простую истину: если необходимо обработать хотя бы один новый байт от какого-либо устройства, необходимо сначала обработать IRQ этого устройства.

Что бы не было путаницы у IRQ есть иерархия или говоря другим языком – приоритеты. Чем меньше номер прерывания, тем выше приоритет и наоборот, чем больше номер прерывания, тем ниже приоритет. IRQ всего 16. Самый высокий приоритет у IRQ 0, а самый низкий у IRQ 15. Приведу таблицу иерархии:

Стандартная функция

Системный таймер

Контроллер клавиатуры

Программируемый контроллер прерываний

Последовательный порт COM 2

Последовательный порт COM 1

Стандартный контроллер гибких дисков

Параллельный порт LPT

CMOS и часы

Звуковая или сетевая карты или свободен

Свободен

USB или SCSI или свободен

PS/2 совместимый порт мыши

Сопроцессор

Основной контроллер IDE

Дополнительный контроллер IDE

А хотите посмотреть свои прерывания? Выберите «Пуск – Выполнить», наберите «msinfo32». В появившимся окне «Сведения о системе», слева, выберите вкладку «Ресурсы аппаратуры – Прерывания IRQ».

С прерываниями случаются и геморрои. Если произойдет генерация большого количества IRQ, то стек может переполниться и тогда…. тогда Вы потянитесь к кнопочке . Ежели такая фигня будет происходить часто, то необходимо в файле Config.sys увеличить параметр Stacks. Кроме, этого двум различным устройствам PCI может быть назначено одно и то же прерывание. Теоретически такое не должно происходить, но вот на практике случается. В этом случае Вам придется самому назначить прерывание одному из заглючивших устройств. Как это сделать? Жмем . Выскакивает окно «Свойства: Система». Выбираем вкладку «Устройства», ищем в списке то устройство, IRQ которого будем подправлять и жмем на него пару раз мышью. Выскочит окно его свойств, где выберем вкладку «Ресурсы» и снимем галку «Автоматическая настройка». Затем чуть ниже выбираем «Запрос на прерывания» и кликаем опять два раза мышью. Появится окно, где можно изменить номер IRQ. Ни фиг себе и сложно. Но… Назначать прерывания надо с умом. Сверьтесь с таблицей: какие IRQ для чего предназначены. Посмотрите у себя, какие свободны. Может так случится, что свободных прерываний у Вас и не будет. Думаете – все, жопа? Нет! Новых IRQ Вы конечно не добавите, но подумайте, все ли устройства Вам необходимы. Например, как часто Вы используете порты COM. Я ими последние года три не пользуюсь вообще. Ну и на фиг их из системы. Это можно сделать из BIOS. И вот Вам свободные IRQ. Короче, в решении подобной проблемы надо приложить голову и все у Вас получится. А всяких там кулых спецов хочу предупредить сразу - не пишите мне письма типа: «После твоей статьи клиенты пачками стали нести к нам в магазин компы с развороченными настройками!». Я не отвечаю за действия людей, у которых голова и руки растут из того же места, что и ноги. Когда-то я и сам в этом ни черта не смыслил, но ведь разобрался же. Причем мне никто ничего не объяснял. Дорогу осилит идущий!

Двигаемся дальше. Вообще, следует отметить, что каналы запросов прерывания относятся к системным ресурсам. Дам короткое но очень меткое определение: системными ресурсами называются коммуникационные каналы, адреса и сигналы, используемые узлами компьютера для обмена данными с помощью шин. Вот так вот просто и понятно. К системным ресурсам кроме IRQ относятся: адреса памяти, каналы прямого доступа к памяти и адреса портов ввода/вывода. Но об этом в других статьях. А на сегодня все. Удачи в Ваших начинаниях.

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.

Хорошо, когда после сборки или плановой модернизации компьютер с первого раза запускается и работает устойчиво и без глюков. Гораздо хуже, если возникают неожиданные проблемы - спонтанные перезагрузки и зависания, сбои программ, неработоспособность или "невидимость" устройств и т.п. Первая причина, которая обычно приходит в голову в таком случае, - конфликт прерываний. А хорошо ли мы знаем природу этого явления, достаточно ли подготовлены к борьбе с ним?

Что такое IRQ

Прерывания - это базовый механизм реакции системы на возникающие события. Аппаратные прерывания, называемые обычно IRQ (Interrupt ReQuest) - это физические сигналы, с помощью которых контроллер устройства информирует процессор о необходимости обработать некоторый запрос. Условно схема обработки прерывания выглядит следующим образом:
1) процессор получает сигнал прерывания и его номер;
2) по специальной таблице отыскивается адрес программы, ответственной за обработку прерывания с данным номером - обработчика прерывания;
3) процессор приостанавливает текущую работу и переключается на выполнение обработчика (в общем случае это некоторый драйвер);
4) драйвер получает доступ к устройству и проверяет причину возникновения прерывания;
5) запускаются запрошенные действия - инициализация, конфигурирование устройства, обмен данными и др.
6) драйвер завершает работу, и процессор возвращается к прерванной задаче.
Очевидно, что для корректной работы механизма прерываний необходимо выполнение двух условий: во-первых, сигнал запроса должен доходить до процессора и, во-вторых, драйвер-обработчик должен правильно реагировать на этот сигнал. В случае конфликта не соблюдается второе условие: сигнал прерывания приходит, но реакция на него оказывается неправильной, в результате чего мы имеем (в лучшем случае) неработоспособное устройство.

Конфликт

Можно сказать, что конфликт - это ситуация, при которой несколько объектов одновременно пытаются получить доступ к ресурсу, который предназначен только для одного из них. Конфликт прерываний возникает в том случае, если несколько устройств используют одну и ту же линию прерывания для посылки сигнала запроса и нет механизма, позволяющего обрабатывать конкурирующие запросы. Если драйвер, получая управление, работает не с тем устройством, которое послало запрос, то либо происходит сбой, либо одно из устройств попросту не работает.
Возникает вопрос: могут ли несколько устройств использовать одну и ту же линию прерывания, или это в принципе невозможно? Ведь если драйвер сможет определить, от кого именно пришел запрос, то он будет реагировать на сигналы только "своего" устройства, игнорируя все остальные. Но это должно быть каким-либо образом заранее оговорено, иначе конфликт неизбежен.
Локальная шина PCI была спроектирована с учетом совместного использования прерываний. Каждое устройство PCI должно корректно работать на одной линии прерывания с другими PCI-устройствами. Это сделано следующим образом: факт наличия сигнала на линии прерывания определяется не по фронту, т.е. изменению уровня напряжения, а по самому факту наличия определенного напряжения. Изменять напряжение в линии может сразу несколько устройств, становясь как бы в очередь на обслуживание.
Таким образом, совместное использование одного IRQ несколькими PCI-устройствами не является конфликтом по определению. Однако иногда проблемы все-таки возникают. Во-первых, не все устройства PCI корректно работают на одной линии прерывания с другими. Во-вторых, иногда драйверы имеют ошибки, из-за которых они не могут правильно определять источник сигнала, мешая другим драйверам. В-третьих, далеко не все устройства работают на шине PCI; например, ISA-устройства, к которым относятся, например, контроллеры COM/LPT-портов, делить прерывания с другими не умеют. Чтобы четко представлять себе, как можно избежать конфликтов или устранить их, нужно разобраться в механизме управления IRQ.

Организация аппаратных прерываний в персональном компьютере

Как вы знаете, персональные компьютеры начались с IBM PC. Его архитектура предусматривала восемь линий аппаратных прерываний (IRQ), которыми управлял специальный контроллер. Каждой из них назначался номер, который определял приоритет прерывания и адрес его обработчика (так называемый вектор прерывания). Новая архитектура, IBM PC AT, предусматривала еще восемь линий прерываний, для которых использовался второй контроллер, подключаемый к одной из линий прерывания первого контроллера. К сожалению, данная архитектура стала последней после того, как фирма IBM потеряла возможность управлять развитием созданной ею платформы, поэтому все современные компьютеры по-прежнему имеют только шестнадцать прерываний, одно из которых используется вторым контроллером.
У компьютера IBM PC AT была только одна шина, по которой устройства могли общаться с процессором и памятью - ISA. Большинство линий прерываний были закреплены за стандартными ISA-устройствами, оставшиеся были зарезервированы на будущее. Когда это будущее наступило, выяснилось, что новой универсальной шине PCI досталось всего четыре свободных прерывания. Поэтому и был придуман хитрый механизм совместного использования прерываний (IRQ Sharing) и динамического переопределения номеров (IRQ Steering или Mapping).
Суть механизма управления прерываниями PCI-устройств в следующем. В общем случае существует четыре физических линии PCI-прерываний, называемых PIRQ0, PIRQ1, PIRQ2 и PIRQ3. Они подключены к контроллеру прерываний. Каждое PCI-устройство со своей стороны как бы имеет четыре разъема, называемые INT A, INT B, INT C и INT D. Подключать линии к разъемам можно в любом порядке. Например, для первого PCI-слота можно сделать такую разводку: PIRQ0 - INT A, PIRQ1 - INT B, PIRQ2 - INT C, PIRQ3 - INT D. А для второго - по-другому: PIRQ0 - INT B, PIRQ1 - INT C, PIRQ2 - INT D, PIRQ3 - INT A. Обычно устройство требует только одну линию прерывания, подключенную к INT A. Будучи установленным в первый слот, устройство использует линию PIRQ0, а во втором слоте на том же контакте будет линия PIRQ1. Тем самым устройства в разных слотах будут использовать разные физические линии прерываний. Аппаратный конфликт между ними будет исключен.
Шина AGP, являясь по сути специализированной модификацией PCI, тоже использует одну из линий PIRQ - обычно PIRQ0.
Для современных систем четырех линий оказывается недостаточно, поэтому в новых чипсетах часто применяются восемь линий PIRQ, которые точно так же в разных комбинациях подключаются к слотам PCI и встроенным в плату устройствам.
Линии PIRQ подключаются к контроллеру прерываний. Им, как и другим линиям, назначаются логические IRQ-номера. Если на одной физической линии находятся несколько устройств (а это допустимо), то все они будут иметь один и тот же номер IRQ. Если устройства находятся на разных физических линиях, они все равно могут получить одинаковые номера IRQ. Нормальные драйверы позволят им свободно работать без потери производительности, так как шина PCI все равно может захватываться только одним устройством. Главное - распознать, от какого устройства пришел сигнал.
Номера линиям PIRQ назначаются автоматически благодаря пресловутому механизму Plug&Play. Но ведь есть и ISA-устройства, поддерживающие Plug&Play. Они тоже имеют возможность автоматически получить номер IRQ. Но их линия прерывания принадлежит им монопольно, и если такой же номер получит одна из линий PIRQ, возникнет неразрешимый конфликт.
Итак, мы выяснили, что устройства PCI должны быть лишены проблем с конфликтами IRQ. Если они, конечно, правильно работают, а так бывает не всегда. К тому же драйверы должны поддерживать механизм совместного использования прерываний. Устройства ISA не умеют делиться линиями прерываний и потому являются провокаторами конфликтов. Следовательно, задача устранения конфликтов сводится к правильному распределению номеров (источник проблем - ISA-устройства и "кривые" драйверы) или к разведению по разным физическим линиям ("кривые" PCI-контроллеры).
Давайте рассмотрим, каким образом в системе происходит распределение номеров и как мы можем повлиять на этот процесс.

Карта прерываний

Как я уже говорил, большинство номеров IRQ уже заняты стандартными устройствами, точнее, назначены их линиям прерываний. Пройдемся по порядку:
0 - системный таймер (номер всегда занят);
1 - клавиатура (номер всегда занят);
2 - второй контроллер прерываний (всегда занят);
3 - порт COM2 (может быть отключен, а номер - освобожден);
4 - порт COM1 (может быть отключен, а номер - освобожден);
5 - порт LPT2 (обычно номер свободен);
6 - контроллер гибких дисков (может быть отключен, а номер - освобожден);
7 - порт LPT1 (если не в режиме EPP или ECP, то номер свободен);
8 - часы реального времени (всегда занят);
9 - свободен;
10 - свободен;
11 - свободен;
12 - мышь PS/2 (может быть свободен, если нет такой мыши);
13 - сопроцессор (всегда занят);
14 и 15 - контроллер жестких дисков (может быть отключен, а номер - освобожден).
В типичной системе свободны номера 5, 7, 9-11, то есть пять из пятнадцати. Кроме того, можно смело отключить COM2 и LPT1-порты, увеличив число свободных номеров до семи. Свободны - не значит, что не заняты, просто между ними возможна свободная перетасовка.
В любой системе имеется три стандартных PCI-устройства - ACPI-, USB-контроллеры и видеокарта, каждое из которых займет по одному номеру. Сложное устройство (например, звуковая карта) может потребовать несколько линий - INT A, INT B и т.д. для своих компонентов, которые между собой не будут конфликтовать (как-никак разные физические линии), а вот с другими устройствами - запросто.
Узнать, как в данный момент распределены номера прерываний, можно несколькими способами. В самом начале загрузки компьютера появляется текстовая таблица конфигурации. Сразу после нее идет перечень PCI-устройств с указанием назначенного им номера IRQ (см. скриншот). Другой способ работает в Windows 9x. В панели управления есть иконка "Система", в вызываемом апплете - закладка "Устройства". Выбираем свойства устройства "Компьютер", и там будут перечислены все устройства с указанием их IRQ (см. скриншот).
В Windows 2000 у нас нет доступа к управлению прерываниями, поэтому для просмотра списка IRQ нужно воспользоваться стандартной информационной утилитой (Панель управления/Администрирование/Управление компьютером/Сведения о системе/Ресурсы аппаратуры).

Распределение номеров IRQ средствами BIOS

В системе номера IRQ распределяются между физическими линиями дважды. Первый раз это делает системный BIOS при начальной загрузке системы. Каждому Plug&Play-устройству (все PCI, современные ISA, интегрированные устройства), а точнее, его линии прерывания, назначается один номер из десяти возможных. Если номеров не хватает, несколько линий получают один общий. Если это линии PIRQ, то ничего страшного - при наличии нормальных драйверов и поддержки со стороны операционной системы (об этом см. ниже) все будет работать. А если один номер получают несколько ISA-устройств или PCI- и ISA-устройства, то конфликт просто неизбежен, и тогда нужно вмешиваться в процесс распределения.
Прежде всего, нужно отключить все неиспользуемые ISA-устройства (в системах без слотов ISA они тоже присутствуют) - порты COM1, COM2 и дисковод. Также можно отключить режимы EPP и ECP порта LPT, тогда прерывание IRQ7 станет доступно.
В BIOS Setup нам понадобится раздел "PCI/PNP Configuration". Есть два базовых способа повлиять на распределения номеров IRQ: заблокировать конкретный номер и напрямую назначить номер линии PIRQ.
Первый способ доступен для всех BIOS: найдите список пунктов "IRQ x used by:" (в новых BIOS скрывается в подменю "IRQ Resources"). Тем прерываниям, которые должны быть назначены исключительно ISA-устройствам, нужно поставить "Legacy ISA". Тем самым при раздаче номеров PCI-устройствам данные прерывания будут пропущены. Поступать так следует в том случае, если какое-либо ISA-устройство упорно становится на одно прерывание с PCI-устройством, из-за чего оба не работают. Тогда мы находим номер этого IRQ и блокируем его в BIOS Setup. PCI-устройство переходит на новый номер IRQ, а ISA-устройство остается. Конфликт разрешен.
Второй, более удобный способ управления номерами IRQ - прямое назначение. В том же подменю BIOS Setup могут быть пункты вида "Slot X use IRQ" (другие названия: "PIRQx use IRQ", "PCI Slot x priority", "INT Pin x IRQ").
С их помощью каждой из четырех линии PIRQ можно назначить конкретный номер. Кстати, в новых AwardBIOS 6.00 можно наблюдать, какие именно устройства (включая встроенные) используют ту или иную линию. Просто посмотрите на правую часть экрана BIOS Setup: на фото показано, как я навел курсор на пункт "Slot 1/5 use IRQ no.", а справа появилась надпись "Display Contr.". То есть первая линия PIRQ используется видеокартой. Если я сейчас поставлю какой-либо определенный номер вместо "Auto", видеокарта будет переведена на это прерывание.

Распределение номеров IRQ средствами Windows

Второй раз номера прерываний распределяются операционной системой. Как показали проведенные мной эксперименты, Windows"98 начинает вмешиваться в произведенные BIOS"ом действия только в крайних случаях. При наличии нормального BIOS описанные здесь приемы не понадобятся.
Следует заметить, что для правильной работы механизмов совместного использования IRQ и динамического распределения необходимо, чтобы Windows распознала чипсет материнской платы и загрузила IRQ Miniport. Чем более свежая версия у Windows, тем больше чипсетов поддерживает ее собственный минипорт (PCIIMP.PCI). Однако всегда лучше перестраховаться и установить самые свежие драйверы чипсета.
В Windows 98 управление системой распределения IRQ осуществляется с помощью стандартного менеджера устройств. В списке системных устройств нужно найти шину PCI. В ее свойствах есть особая закладка (см. скриншот). Если все настроено правильно, там будет упомянут минипорт ("успешно загружен"), а управление шиной PCI (Steering) будет включено. Таким образом, Windows"98 имеет средства для управления распределением номеров прерываний между физическими линиями. Но поскольку и BIOS чаще всего с этим хорошо справляется, этот механизм не задействуется.
Но иногда он просто необходим. Как я уже говорил, PCI-устройства не должны конфликтовать в случае, если они используют одно и то же логическое прерывание. Другое дело - ISA-устройства, к которым относятся также и COM- и LPT-порты. Если устройство не-Plug&Play, BIOS может его и не заметить, отдав занятое им прерывание PCI-устройству. Тогда нужно прерывание зарезервировать. Это делается в диспетчере устройств Windows"98: выбираем устройство "Компьютер", вызываем его свойства, переключаемся на вторую закладку. Дальше все понятно.
Кроме резервирования, можно непосредственно задать номер прерывания для устройства. Для этого нужно в его свойствах найти закладку "Ресурсы", отключить автоматическую настройку и попытаться изменить назначенный номер прерывания.
К сожалению, это работает далеко не всегда.
Windows 2000 - система особая. Если у вас современный компьютер, то он наверняка поддерживает интерфейс конфигурирования ACPI. Windows 2000 в таком случае вообще проигнорирует действия BIOS и "повесит" все PCI-устройства на одно логическое прерывание. В общем случае это будет отлично работать (когда нет ISA), но иногда случаются проблемы. Чтобы получить возможность изменять номера прерываний, нужно либо поменять HAL-ядро, либо переустановить Windows 2000 с отключенным в BIOS ACPI. Замена ядра производится так: в диспетчере устройств выбирайте "Компьютер"/"Компьютер с ACPI", меняйте драйвер на "Стандартный компьютер", перезагружайтесь. Если это не поможет, придется переустановить Windows 2000 заново.
Надеюсь, приведенная выше информация поможет вам в борьбе с глюками "железа". И помните: большинство возникающих проблем связано с низким уровнем компьютерной грамотности хозяина компьютера. Поэтому нужно всегда стремиться к самообразованию, тогда и проблем будет поменьше, а те, что все-таки возникнут - не будут казаться неразрешимыми.