Aula 13 - Interrupção

EA869
Interrupção
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Prof. Levy Boccato
1
Objetivos
 Definir o conceito de interrupção.
 Diferenciar interrupções de subrotinas.
 Conhecer as diversas estratégias para implementar
interrupções.
 Aprender a instalar interrupções na memória.
2
Recordando
 No tópico anterior, vimos como desviar a execução de um programa
através de chamadas de subrotinas.
 Utilidades: (1) eliminar redundâncias, (2) reutilização de código para
diferentes entradas de dados, (3) decompor problemas grandes em
pequenas partes (modularização), entre outras.
 Entretanto, nem sempre a mudança do fluxo normal de execução de
um programa acontece de forma programada, como ocorre no caso
de subrotinas.
Quais condições podem
acarretar a interrupção da
execução de um programa?
Atendimento de eventos externos e internos
Mouse, teclado, sensores, telas touchscreen, ou sinais internos (reset) podem
interromper a execução da CPU para o atendimento dos seus eventos.
3
Exemplo
 Vamos supor que você esteja jogando 2048 no seu smartphone
e
alguém resolve ligar para você.
MEM
CPU
PROG
Controlador
GSI
RSI
Gerador de Sequência de interrupção: é o hardware dentro do controlador
que irá receber o sinal de interrupção, interromper a execução do programa
e desviar para a ROTINA DE SERVIÇO DE INTERRUPÇÃO (RSI), a qual é
responsável por atender e tratar o evento que gerou a interrupção.
4
Interrupção
 Definição:
INTERRUPÇÃO
É a quebra da sequência normal de operação de forma a atender
eventos especiais, tais como:
 Entrada de dados vindos de periféricos.
 Atendimento de sinal de sensor.
 Sinais internos.
Como o processador
descobre que um
evento quer
interrompê-lo?
Através de um sinal de interrupção
enviado ao GSI por linhas de
interrupção
Cada linha de interrupção está
associada a um dispositivo (ou
a um conjunto deles) que envia
o sinal de interrupção quando
deseja ser atendido.
5
Interrupção
 Vejamos agora o atendimento de uma interrupção:
O que vai
acontecer?
MOV R0, #100
MOV R1, (R0)+
MOV R2, (R0)+
ADD R3, R1, R2
MOV (R0), R3
MOV R0, #200
MOV R1, (R0)+
MOV R2, (R0)+
ADD R3, R1, R2
MOV (R0), R3
MOV R0, #300
BUSCA
SINAL DE
INTERRUPÇÃO
EXECUÇÃO
RSI:
MOV
(R0)+
Para
queR1,
tudo
isto
MOV R2,
(R0)+
ocorra,
quais
ADD R3, R1, R2o
microoperações
MOV (R0), R3
GSI deve realizar?
RTI
 Ao aparecer um sinal de interrupção:
1. Controlador termina de executar a instrução corrente.
2. GSI salva o estado atual da máquina e o endereço de
retorno, desviando, então, a execução do programa para
a rotina de serviço de interrupção (RSI).
3. Ao terminar de executar a RSI, o controlador restaura
o estado anterior à interrupção e volta a executar o
programa principal.
6
Interrupção
 Gerador de sinais de interrupção (GSI):
 É um dispositivo do controlador que, ao receber um sinal de
interrupção, salva o estado atual do processador (Registrador de
Estado ou PSW), assim como o endereço de retorno, e desvia a
execução do programa para a rotina de serviço de interrupção
(RSI).
 Arquitetura:
sinais de controle
sinal de
interrupção
 
...
C.O. sinais de controle

BUSCA
D
 
   ... 
EXECUÇÃO
sinal do fim da
sequência de microcomandos
Q
PARTIDA
CLR
Q
Flip-Flop
de
Interrupção
GERADOR DE SEQUÊNCIA
DE INTERRUPÇÃO



sinais de controle
sinal do fim
da sequência
de microcomandos
...
7
Interrupção
 Atendimento de uma interrupção:
 Armazenar o conteúdo do PC para posterior retorno ao programa
interrompido (endereço de retorno).
 Armazenar o estado corrente do processador para restaurar, após
o retorno, a situação (o cenário) existente no momento da
interrupção.
 Desviar o controle de execução para a rotina de serviço de
interrupção (RSI).
Onde iremos
armazenas essas
informações?
PILHA!
SINAIS DE CONTROLE DO GSI
PUSH PC
PUSH PSW
JUMP RSI
Pilha ← (PC) Endereço de retorno
Pilha ← (PSW) Estado corrente do processador
PC ← Endereço da RSI Desvia a execução para RSI
8
Interrupção
 Retorno de uma interrupção:
 À semelhança do retorno de subrotina, temos uma instrução
especial ao final da RSI.
RS1: MOV R1, (R0)+
MOV R2, (R0)+
ADD R3, R1, R2
MOV (R0), R3
RTI
Quais operações a instrução
RTI deve executar?
POP PSW
POP PC
PSW ← Estado anterior à Interrupção
PC ← Endereço de retorno
Note que o retorno deve ser programado na RSI.
Ele não é automaticamente executado pelo GSI.
9
Rotinas de Serviço de Interrupção
Qual é o endereço da Rotina de
Serviço de Interrupção?
 Antes de executar os sinais de controle para o atendimento de uma
interrupção, o GSI deve conhecer o endereço da RSI.
 Existem 3 formas de informar qual é este endereço.
Mapeamento Interno à CPU
 Neste caso, cada linha de interrupção está associada a um endereço de
memória.
 O programador deve instalar a RSI no endereço de interrupção associado
ao pino de interrupção no qual foi conectado o dispositivo.
CPU
RS1
L1
L2
MEM
Mapeamento
RS2
10
Rotinas de Serviço de Interrupção
Qual é o endereço da Rotina de
Serviço de Interrupção?
 Antes de executar os sinais de controle para o atendimento de uma
interrupção, o GSI deve conhecer o endereço da RSI.
 Existem 3 formas de informar qual é este endereço.
Mapeamento Externo à CPU
 Neste caso, temos um hardware chamado “Controlador
que informa ao GSI qual é o endereço da interrupção.
 Antes de executar o JUMP para a RSI, a CPU precisa
enviado pelo controlador.
CPU
MEM
L1
Controlador
de
end
GSI
Interrupçõe
L2
s
de Interrupções”
ler este endereço
PUSH PC
PUSH PSW
IN CONTRL
JUMP RSI
11
Rotinas de Serviço de Interrupção
Qual é o endereço da Rotina de
Serviço de Interrupção?
 Antes de executar os sinais de controle para o atendimento de uma
interrupção, o GSI deve conhecer o endereço da RSI.
 Existem 3 formas de informar qual é este endereço.
Polling
 Neste caso, temos uma Rotina de Serviço que lê o status de todos os
dispositivos conectados à linha de interrupção.
 Caso algum dispositivo tenha emitido um sinal de interrupção, acontece o
desvio para RSI correspondente.
RS: IN STATUS2
Jcond RS1
CPU
MEM
IN STATUS2
Jcond RS1
LI
GSI
...
IN STATUSn
12
Jcond RSn
Resumindo
 Definição: uma interrupção nada mais é do que a quebra da
sequência de operação para o atendimento de um evento interno ou
externo.
 Atendimento: desvio a execução da CPU para uma Rotina de
Serviço de Interrupção. Uma vez finalizada, as condições anteriores
do processador são restauradas.
 Hardware: uma área dentro do controlador, o Gerador de Sinais de
Interrupção (GSI), é responsável por atender a interrupção. O
retorno é executado por uma instrução (RTI) ao final da RSI.
 Endereço: o sinal de interrupção é enviado pelo dispositivo através
de uma linha de interrupção. Cada linha de interrupção tem
associada a si um endereço da memória.
Onde se encontram as
Rotinas de Serviço de
Interrupção?
Possibilidade 1:
Nos endereços associados às
linhas de interrupção
L1 → RS1
L2 → RS2
...
L3 → RS3
13
Endereços de Interrupção
(1) Em posições não-contíguas de memória
MEMÓRIA
L1
END1
RS1
“mouse”
L2
Nesta forma de
organização,
cada endereço
associado à
linha de
interrupção
possui um
conjunto de
palavras para
instalação das
RSIs.
RS2
END2
Existe
uma
solução
mais
“teclado” – P1
elegante para instalar as RSIs?
Ln
SINAIS DO GSI
PUSH PC
PUSH PSW
JUMP ENDi
PC ← ENDi
RS1
“mouse”
RS2
RS2
...
“teclado”
“teclado”
VETORES DE
INTERRUPÇÃO!
JUMP
ENDX
ENDn
ENDX
RS2
“teclado” – P2
Invadiu a área reservada para a
RSI
de
outra
linha
de
interrupção!
Desviar a execução para uma área livre
da memória
Solução?
14
Endereços de Interrupção
(2) Em vetores (interrupção vetorizada)
L1
END1
L2
END2
MEMÓRIA
RS1
RS2
...
Ln
Nesta forma de organização,
os endereços associados a
cada linha de interrupção
estão em posições contíguas
da memória...
ENDn
Isto implica não
haver espaço para
a instalação da
RSI...
VETOR DE
INTERRUPÇÕES
RS3
Desta forma, os
endereços de
interrupção
conterão apenas os
endereços das RSI
apropriadas.
SINAIS DO GSI
PUSH PC
PUSH PSW
JUMP (ENDi)
PC ← (ENDi) = RSIi
 Processadores mais modernos (por exemplo, ARM) possuem uma área da memória
reservada para os endereços das RSIs. Essa área é chamada de “Vetor de Interrupções” e
geralmente localiza-se no início do espaço de memória, a partir do endereço 0.
 A vantagem desta estratégia é que as RSIs podem ser instaladas em qualquer área livre
da memória sem restrição de tamanho.
15
Endereços de Interrupção
•
•
Em algumas circunstâncias, para que a Rotina de Serviço de Interrupção seja
executada corretamente, podem ser necessárias algumas condições especiais.
Por exemplo, considere o evento “reiniciar”:
Ao pressionar o botão “reiniciar”, o programa corrente é interrompido e a
execução é desviada para uma RSI que inicializa o Sistema Operacional.
Durante esta inicialização, nenhum sinal de interrupção pode interromper a RSI.
Para que nenhuma interrupção aconteça, precisamos desabilitá-las no
Registrador de Estado (PSW);
Uma forma de implementação é associar bits do PSW às linhas de interrupção.
Se bit = 1, a linha correspondente ao bit pode interromper a execução. Se bit = 0,
não pode interromper.
REGISTRADOR DE ESTADO (PSW)
Se, antes de executar a RSI eu
coloco 001 no PSW, quem
poderá interrompê-la?
Apenas a Linha 1!
L3
L2
L1
0
0
1
O valor colocado no registrador PSW é
chamado de máscara de interrupção.
Muitas vezes, é necessário passar uma máscara
para o Registrador de Estado antes de iniciar a
execução da RSI.
16
Como faremos isso?
Endereços de Interrupção
(3) Em vetores (interrupção vetorizada) com PSW (estado)
L1
L2
END1
MEMÓRIA
mask1
RS1
END2
mask2
Qual a diferença
RS2entre a
Interrupção
e Subrotina?
...
Li
Uma forma de alterar o
estado do processador,
adequando-o
para
a
execução da RSI, é
enviando-lhe
uma
máscara de interrupção.
ENDi
VETOR DE
INTERRUPÇÕES
(com PSW)
maski
RSi
Esta máscara pode ser
alocada no Vetor de
Interrupções, em uma
posição
antes
do
endereço da RSI.
Qual outra forma de enviar a
máscara para o PSW?
SINAIS DO GSI
PUSH PC
PUSH PSW
MOV ENDi, PSW
JUMP (ENDi + 1)
Através da primeira
linha da RSI:
PSW ← (ENDi) = pswi
PC ← (ENDi + 1) = RSIi
RS1: MOVE mask1, PSW
...
RTI
17
Interrupções versus Subrotinas
ATENDIMENTO
ENDEREÇO DA
ROTINA DE SERVIÇO
DESVIO DA
EXECUÇÃO
QUEM EXECUTA O
DESVIO PARA RS
SUBROTINAS
INTERRUPÇÃO
Síncrono
(programa)
Assíncrono
(sinal externo)
Própria Instrução
Salva PC
Controlador ao
executar CALL
RETORNO AO
PROGRAMA
Restaura PC
QUEM EXECUTA
O RETORNO
Controlador ao
executar RTS
Vetor de
Interrupções
Salva PC e PSW
GSI
Restaura PC e PSW
Controlador ao
executar RTI
18
Instalando RSIs
•
•
Agora que sabemos os mecanismos de funcionamento da interrupção e onde se
localizam os endereços e as rotinas de serviço, vamos analisar como se escreve um
programa Assembly para implementar interrupções.
Exemplo:
Considere uma arquitetura na qual as linhas de interrupção L1, L2 e L3 estão associadas a
um Vetor de Interrupções de endereços contíguos e sem PSW. O Vetor de Interrupções
começa na posição 0 de memória e as RSIs estão, respectivamente, nas posições 300, 400 e
500. Escreva um programa que implemente estas condições.
L1
END1
RS1
0
300
L2
END2
RS2
1
400
L3
END3
RS3
2
500
Antes de continuar, vamos falar mais um
pouco sobre pseudo-instruções...
19
Instalando RSIs
Pseudo-instruções
É um tipo especial de instrução não executável, que
insere valores em posições de memória, reserva espaço e
organiza na memória o local de instalação das instruções.
Quem lê e “executa” as pseudo-instruções é o montador
ao alocar o programa Assembly na memória.
Em resumo, pseudo-instruções são regras que ajudam o
montador a definir o conteúdo de cada posição da memória
ao instalar um programa.
DS X
Reserva X palavras da memória a partir
da posição da pseudo-instrução.
DW V Posição de memória desta pseudoinstrução recebe o valor V.
ORG Y A próxima instrução é alocada na posição
Y de memória.
ADR rótulo Posição recebe o endereço de “rótulo”.
20
Instalando RSIs
•
•
Agora que sabemos os mecanismos de funcionamento da interrupção e onde se
localizam os endereços e as rotinas de serviço, vamos analisar como se escreve um
programa Assembly para implementar interrupções.
Exemplo:
Considere uma arquitetura na qual as linhas de interrupção L1, L2 e L3 estão associadas a
um Vetor de Interrupções de endereços contíguos e sem PSW. O Vetor de Interrupções
começa na posição 0 de memória e as RSIs estão, respectivamente, nas posições 300, 400 e
500. Escreva um programa que implemente estas condições.
L1
END1
RS1
0
300
L2
END2
RS2
1
400
L3
END3
RS3
2
500
Definindo o vetor de interrupções:
ORG 0
ADR RS1 ou DW 300
ADR RS2 ou DW 400
ADR RS3 ou DW 500
ORG 300
Instalando as RSIs: RS1: ...
RTI
ORG 400
RS2: ...
RTI
ORG 500
RS3: ...
RTI
21
Instalando RSIs
 Considere agora uma arquitetura na qual as linhas L1, L2 e L3 estão




associadas a um vetor de interrupções de endereços contíguos e
com PSW.
O vetor de interrupções começa na posição 0 da memória e as RSIs
estão, respectivamente, nas posições 150, 350 e 400.
Cada linha pode ser interrompida pelas outras, exceto por si mesma.
Os 3 bits menos significativos do PSW habilitam e desabilitam as
interrupções nas linhas.
Vamos, então, escrever um programa Assembly que implemente esta
situação, lembrando que os sinais de controle gerados pelo GSI
correspondem às operações:
PUSH PC
PUSH PSW
MOV ENDi, PSW
JUMP (ENDi + 1)
22
Instalando RSIs
 Solução:
Definindo as
máscaras:
psw1: 1102
psw2: 1012
L3
L2
L1
PSW
psw3: 0112
Instalando o vetor de interrupções:
ORG 0
DW 110
ADR RS1 ou DW 150
DW 101
ADR RS2 ou DW 350
DW 011
ADR RS3 ou DW 400
Instalando as RSIs:
ORG 150
RS1: ...
...
RTI
ORG 350
RS2: ...
...
RTI
ORG 400
RS3: ...
RTI
23
Créditos
 Este material está baseado nas notas de aula elaboradas pelo
Prof. Léo Pini e pelo aluno de doutorado Tiago Novaes.
24