mirror of
https://github.com/MPSU/APS.git
synced 2025-09-15 09:10:10 +00:00
Синхронизация с правками публикуемого издания (#101)
* СП. Обновление предисловия * СП. Обновление введения * СП. Обновление лаб * СП. Обновление доп материалов * СП. Введение * СП. Введение * СП. ЛР№4, 15 * СП. Базовые конструкции Verilog * Update Implementation steps.md * СП. ЛР 4,5,7,8,14 * СП. ЛР№8 * Синхронизация правок * СП. Финал * Исправление ссылки на рисунок * Обновление схемы * Синхронизация правок * Добавление белого фона .drawio-изображениям * ЛР2. Исправление нумерации рисунка
This commit is contained in:
Andrei Solodovnikov
committed by
GitHub
GitHub
parent
d251574bbc
commit
9739429d6e
@@ -23,9 +23,9 @@
|
||||
|
||||
С компьютером постоянно происходят события, на которые он должен реагировать, запуская соответствующие подпрограммы. Например, при движении мышки нужно перерисовать её курсор на новом месте или нужно среагировать на подключение флешки и т.п. Возможность запускать нужные подпрограммы в ответ на различные события, возникающие внутри или снаружи компьютера, существенно расширяют его возможности. События, требующие внимания процессора называются **прерываниями** (**interrupt**). Происходящие события формируют запрос на прерывание процессору.
|
||||
|
||||
С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер в учебнике "Организация ЭВМ и систем" дают следующее определение системе прерывания:
|
||||
С.А. Орлов в учебнике "Организация ЭВМ и систем" даёт следующее определение системе прерывания:
|
||||
|
||||
> **Система прерывания** – это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющая процессору (при получении соответствующего запроса) на время прервать выполнение текущей программы, передать управление программе обслуживания поступившего запроса, по завершению которой и продолжить прерванную программу с того места, где она была остановлена[1, стр. 155].
|
||||
> **Система прерывания** – это совокупность аппаратных и программных средств, позволяющая вычислительной машине (при получении соответствующего запроса) на время прервать выполнение текущей программы, передать управление программе обслуживания поступившего запроса, а по завершении последней продолжить прерванную программу с того места, где она была прервана[1, стр. 133].
|
||||
|
||||
Прерывания делятся на **маски́руемые** — которые при желании можно игнорировать (на которые можно наложить [**битовую маску**](https://ru.wikipedia.org/wiki/Битовая_маска), отсюда ударение на второй слог), и **немаски́руемые** — которые игнорировать нельзя (например сбой генератора тактового синхроимпульса в микроконтроллерах семейства PIC24FJ512GU410[[2, стр. 130]](https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/MCU16/ProductDocuments/DataSheets/PIC24FJ512GU410-Family-Data-Sheet-DS30010203D.pdf)). Прерывание похоже на незапланированный вызов функции, вследствие события в аппаратном обеспечении. Программа (функция), запускаемая в ответ на прерывание, называется **обработчиком прерывания**.
|
||||
|
||||
@@ -35,7 +35,7 @@
|
||||
|
||||
Как и любой другой вызов функции, при возникновении прерывания или исключения необходимо сохранить адрес возврата, перейти к программе обработчика, выполнить свою работу, восстановить контекст (не оставить никаких следов работы обработчика прерывания) и вернуться к программе, которую прервали.
|
||||
|
||||
Благодаря исключениям можно реализовать имитацию наличия каких-то аппаратных блоков программными средствами. Например, при отсутствии аппаратного умножителя, можно написать программу обработчика исключения неподдерживаемой инструкции умножения, реализующую алгоритм умножения через сложение и сдвиг. Тогда, каждый раз, когда в программе будет попадаться инструкция умножения, будет возникать исключение, приводящее к запуску обработчика, перемножающего числа и размещающего результат в нужные ячейки памяти. После выполнения обработчика управление возвращается программе, которая даже не поймёт, что что-то произошло и умножитель «ненастоящий».
|
||||
Благодаря исключениям можно реализовать имитацию наличия каких-то аппаратных блоков программными средствами. Например, при отсутствии аппаратного умножителя, можно написать программу обработчика исключения неподдерживаемой инструкции умножения, реализующую алгоритм умножения через сложение и сдвиг. Тогда, каждый раз, когда в программе попадётся инструкция умножения, будет возникать исключение, приводящее к запуску обработчика, перемножающего числа и размещающего результат в нужные ячейки памяти. После выполнения обработчика управление возвращается программе, которая даже не поймёт, что что-то произошло и умножитель «ненастоящий».
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
@@ -47,7 +47,7 @@
|
||||
|
||||
1. Под **исключением** будут подразумеваться нетипичные условия, произошедшие во время исполнения программы, связанные с инструкцией в текущем харте (_hart_, сокращение от **har**dware **t**hread — аппаратном потоке).
|
||||
2. Под **прерыванием** будут подразумеваться внешние асинхронные события, которые могут стать причиной непредвиденной передачи управления внутри текущего харта.
|
||||
3. Под **перехватом** (вариант глагольного использования слова _trap_, которое обычно переводят как "ловушка", что по мнению автора совершенно не раскрывает сути этого понятия) будет подразумеваться передача управления **обработчику перехватов** (_trap handler_), вызванная либо прерыванием, либо исключением.
|
||||
3. Под **перехватом** (вариант глагольного использования слова _trap_, которое обычно переводят как "ловушка", что по мнению авторов совершенно не раскрывает сути этого понятия) будет подразумеваться передача управления **обработчику перехватов** (_trap handler_), вызванная либо прерыванием, либо исключением.
|
||||
|
||||
Иными словами, **прерываниями** мы будем называть исключительно аппаратные (внешние, асинхронные) события, которые могут привести к **перехвату** (передаче управления обработчику). Под **исключениями** мы будем подразумевать исключительно программные (являющиеся следствием какой-то инструкции, синхронные) события, которые могут привести к **перехвату**.
|
||||
|
||||
@@ -134,7 +134,10 @@ _Таблица 2. Кодирование причины перехвата в
|
||||
- задать адрес вершины стека прерываний `mscratch`,
|
||||
- задать маску прерывания `mie`.
|
||||
|
||||
После чего уже можно переходить к исполнению основного потока инструкций. Обратите внимание, что маску прерываний следует задавать в последнюю очередь, т.к. в противном случае система может начать реагировать на прерывания, не имея в регистре `mtvec` корректного адреса вектора прерываний.
|
||||
После чего уже можно переходить к исполнению основного потока инструкций.
|
||||
|
||||
> [!IMPORTANT]
|
||||
> Обратите внимание, что маску прерываний следует задавать в последнюю очередь, т.к. в противном случае система может начать реагировать на прерывания, не имея в регистре `mtvec` корректного адреса вектора прерываний.
|
||||
|
||||
### Реализация прерываний в архитектуре RISC-V
|
||||
|
||||
@@ -150,9 +153,9 @@ _Таблица 2. Кодирование причины перехвата в
|
||||
|
||||
После выполнения программы-обработчика перехвата, возвращение в программу выполняется командой возврата `mret`, которая помещает в `PC` значение регистра `mepc`. Сохранение `PC` инструкции при прерывании в `mepc` аналогично использованию регистра `ra` для хранения обратного адреса во время инструкции `jal`. Поскольку обработчики перехватов могут использовать для своей работы регистровый файл, для хранения и восстановления значений его регистров им нужен отдельный стек, на который указывает `mscratch`.
|
||||
|
||||
Контроллер прерываний – это блок процессора, обеспечивающий взаимодействие с устройствами, запрашивающими прерывания, формирование кода причины прерывания для процессора, маскирование прерываний. В некоторых реализация, контроллер прерываний может реагировать на прерывания в соответствии с приоритетом.
|
||||
Контроллер прерываний – это блок процессора, обеспечивающий взаимодействие с устройствами, запрашивающими прерывания, формирование кода причины прерывания для процессора, маскирование прерываний. В некоторых реализациях, контроллер прерываний может реагировать на прерывания в соответствии с приоритетом.
|
||||
|
||||
Периферийное устройство, которое может генерировать прерывание, подключается к контроллеру прерывания парой проводов: "запрос на прерывание" (`irq_req_i`) и "прерывание обслужено" (`irq_ret_o`). Предположим, к контроллеру прерываний подключили клавиатуру. Когда на ней нажимают клавишу, код этой клавиши попадает в буферный регистр с дополнительным управляющим битом, выставленным в единицу, который подключён к входу запроса на прерывание. Если прерывание не замаскировано (в нашем процессоре это означает, что нулевой бит регистра `mie` выставлен в 1), то контроллер прерывания сгенерирует код причины прерывания (в нашем случае — это константа `0x80000010`). Кроме этого, контроллер прерывания подаст сигнал `irq_o`, чтобы устройство управления процессора узнало, что произошло прерывание и разрешило обновить содержимое регистра причины `mcause`, сохранило адрес прерванной инструкции в `mepc` и загрузило в `PC` вектор прерывания `mtvec`.
|
||||
Периферийное устройство, которое может генерировать прерывание, подключается к контроллеру прерывания парой проводов: "запрос на прерывание" (`irq_req_i`) и "прерывание обслужено" (`irq_ret_o`). Предположим, к контроллеру прерываний подключили клавиатуру. Когда на ней нажимают клавишу, код этой клавиши попадает в буферный регистр с дополнительным управляющим битом, выставленным в единицу, который подключён к входу запроса на прерывание. Если прерывание не замаскировано (в нашем процессоре это означает, что 16-ый бит регистра `mie` выставлен в 1), то контроллер прерывания сгенерирует код причины прерывания (в нашем случае — это константа `0x80000010`). Кроме этого, контроллер прерывания подаст сигнал `irq_o`, чтобы устройство управления процессора узнало, что произошло прерывание и разрешило обновить содержимое регистра причины `mcause`, сохранило адрес прерванной инструкции в `mepc` и загрузило в `PC` вектор прерывания `mtvec`.
|
||||
|
||||
Когда будет выполняться инструкция `mret`, устройство управления подаст сигнал контроллеру прерывания, чтобы тот, в свою очередь, направил его в виде сигнала «прерывание обслужено» для соответствующего устройства. После этого периферийное устройство обязано снять сигнал запроса прерывания хотя бы на один такт. В нашем примере сигнал «прерывание обслужено» может быть подключён непосредственно к сбросу буферного регистра клавиатуры.
|
||||
|
||||
@@ -195,7 +198,7 @@ _Рисунок 5. Структурная схема контроллера пр
|
||||
Контроллер состоит из логики:
|
||||
|
||||
- обработки вложенных прерываний, частью которой являются регистры отслеживания обработки прерывания и исключения (`irq_h` и `exc_h` соответственно),
|
||||
- установки и сброса этих регистров (которая вместе с этими регистрами заключена в штрихованные прямоугольники),
|
||||
- установки и сброса этих регистров (которая вместе с этими регистрами заключена в прямоугольники, выделенные пунктиром),
|
||||
- приоритета исключений над прерываниями,
|
||||
- маскирования запросов на прерывание.
|
||||
|
||||
@@ -215,11 +218,11 @@ _Рисунок 5. Структурная схема контроллера пр
|
||||
|
||||
Логика приоритета исключений над прерываниями заключается в том, что сигнал `exception_i` является частью логики обработки вложенных прерываний. Пройдя через два логических ИЛИ и последующий инвертор, этот сигнал обнулит запрос на прерывание на логическом И в правом верхнем углу.
|
||||
|
||||
Логика маскирования запросов на прерывания заключается в простейшем И между запросом на прерывания (`irq_req_i`) и сигналом разрешения прерывания (`mie_i`).
|
||||
Логика маскирования запросов на прерывания заключается в побитовом И между запросом на прерывания (`irq_req_i`) и сигналом разрешения прерывания (`mie_i`).
|
||||
|
||||
## Пример обработки перехвата
|
||||
|
||||
В _листинге 1_ представлен пример программы с обработчиком перехватов. Программа начинается с инициализации начальных значений регистров управления, указателя на верхушку стека и глобальную область данных, после чего уходит в бесконечный цикл ничего не делая, до тех пор, пока не произойдёт перехват.
|
||||
В _листинге 1_ приведён пример программы с обработчиком перехватов. Программа начинается с инициализации начальных значений регистров управления, указателя на верхушку стека и глобальную область данных, после чего уходит в бесконечный цикл ничего не делая, до тех пор, пока не произойдёт перехват.
|
||||
|
||||
Алгоритм работы обработчика перехвата (`trap handler`) выглядит следующим образом:
|
||||
|
||||
@@ -242,7 +245,7 @@ _start:
|
||||
|
||||
0С: la x5, trap_handler # псевдоинструкция la аналогично li загружает число,
|
||||
10: # только в случае la — это число является адресом
|
||||
# указанного места (адреса обработчика перехвата)
|
||||
# указанного места (адресом обработчика перехвата)
|
||||
# данная псевдоинструкция будет разбита на две
|
||||
# инструкции: lui и addi
|
||||
|
||||
@@ -276,7 +279,7 @@ main:
|
||||
|
||||
# ОБРАБОТЧИК ПЕРЕХВАТА
|
||||
# Без стороннего вмешательства процессор никогда не перейдет к инструкциям ниже,
|
||||
# однако в случае прерывания в программный счетчик будет загружен адрес первой
|
||||
# однако в случае перехвата в программный счетчик будет загружен адрес первой
|
||||
# нижележащей инструкции.
|
||||
|
||||
# Сохраняем используемые регистры на стек
|
||||
@@ -306,7 +309,7 @@ exc_handler: # Проверяем произошло ли иск
|
||||
78: bne x6, x7, done # если это не оно, то выходим
|
||||
|
||||
# Обработчик исключения
|
||||
7С: csrr x6, mepc # Узнаем значение PC (адреса инструкции,
|
||||
7С: csrr x6, mepc # Узнаём значение PC (адреса инструкции,
|
||||
# вызвавшей исключение)
|
||||
80: lw x7, 0x0(x6) # Загружаем эту инструкцию в регистр x7.
|
||||
# В текущей микроархитектурной реализации это
|
||||
@@ -403,9 +406,9 @@ endmodule
|
||||
|
||||
## Список использованной литературы
|
||||
|
||||
1. С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер / Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 2-е изд. / СПб.: Питер, 2011.
|
||||
1. Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 4-е изд. дополненное и переработанное / С.А. Орлов. - Санкт-Петербург : Питер, 2021. - 688 с.
|
||||
2. [PIC24FJ512GU410 Family Data Sheet](https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/MCU16/ProductDocuments/DataSheets/PIC24FJ512GU410-Family-Data-Sheet-DS30010203D.pdf)
|
||||
3. [The Art of Assembly Language](https://flint.cs.yale.edu/cs422/doc/art-of-asm/pdf/)
|
||||
3. [Hyde, Randall. The Art of Assembly Language. DOS/16-bit edition.](https://flint.cs.yale.edu/cs422/doc/art-of-asm/pdf/)
|
||||
4. [The RISC-V Instruction Set Manual Volume I: Unprivileged ISA](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/20240411/unpriv-isa-asciidoc.pdf)
|
||||
5. [Pillai, V.P., Megalingam, R.K. (2022). System Partitioning with Virtualization for Federated and Distributed Machine Learning on Critical IoT Edge Systems. In: Saraswat, M., Sharma, H., Balachandran, K., Kim, J.H., Bansal, J.C. (eds) Congress on Intelligent Systems. Lecture Notes on Data Engineering and Communications Technologies, vol 111. Springer, Singapore.](https://doi.org/10.1007/978-981-16-9113-3_33)
|
||||
6. [The RISC-V Instruction Set Manual Volume II: Privileged Architecture](https://github.com/riscv/riscv-isa-manual/releases/download/20240411/priv-isa-asciidoc.pdf)
|
||||
|
||||
Reference in New Issue
Block a user