Прерывания

Обработчик прерываний

Прерывания, в отличие от исключений, могут возникать в произвольное время (например, прерывание ввода зависит от того, когда человек нажал на кнопку). Прерывания в Mars обрабатываются тем же кодом, что и исключения — специальным обработчиком по адресу 0x8000180. Обработка прерываний управляется сопроцессором 0 и его регистрами

Регистр Status:

bits

31-16

15-8

7-5

4

3,2

1

0

target

unused

Int. mask

unused

K/U

unused

Exception level

Int enable

Регистр Cause:

31

30-16

15-8

7

6-2

1-0

Br

unused

Pending interrupts

unused

Exception code

unused

Прерывания, в отличие от исключений, могут возникать в произвольное время (например, прерывание ввода зависит от того, когда человек нажал на кнопку). Прерывания в Mars обрабатываются тем же кодом, что и исключения — специальным обработчиком по адресу 0x8000180.

Программа, использующая прерывания, должна их включать: выставлять 1 в биты разрешения прерываний и во все нужные позиции маски прерываний, а также переводить используемые врешние устройства в режим работы по прерыванию:

Сам обработчик событий по адресу 0x800000180, таким образом, обычно состоит из следующих частей:

Замечание: как и во время обработки прерывания, во время системного вызова прерывания или вообще запрещены, или накапливаются (делаются «Pending») без вызова обработчика. Поэтому задача обработчика — как можно быстрее принять решение, что делать с прерыванием и вернуть управление пользовательской программе.

Пример: консоль Mars

Консоль Mars («Keyboard and Display MMIO Simulator») — воображаемое устройство, осуществляющее побайтовый ввод и вывод. Вернее окошко — «дисплей», куда выводятся байты, а нижнее — «клавиатура» (для удобства набираемый на клавиатуре текст отображается в этом окошке).

Console.png

Консоль имеет следующие регистры ввода-вывода

0xffff0000

RcC

Управляющий регистр ввода

RW

0 бит — готовность, 1 бит — прерывание

0xffff0004

RcD

Регистр данных ввода

R

введённый байт

0xffff0008

TxC

Управляющий регистр вывода

RW

0 бит — готовность, 1 бит — прерывание

0xffff000c

TxD

Регистр данных вывода

W

необязательные координаты курсора, байт для вывода

Операции ввода и вывода в консоли возможно только если бит готовности равен 1. Если бит готовности нулевой в управляющем регистре ввода, значит, клавиша ещё не нажата, а если в управляющем регистре вывода — символ всё ещё выводится, следующий выводить нельзя (ну медленное устройство, в жизни так сплошь и рядом!). Как обычно, устройство заработает только после нажатия кнопки «Connect to MIPS». Простой пример чтения с клавиатуры при помощи поллинга. Удобно рассматривать с низкой скоростью работы эмулятора (3-5 тактов в секунду).

   1 loop:   lb      $t0 0xffff0000          # готовность ввода
   2         andi    $t0 $t0 1               # есть?
   3         beqz    $t0 loop                # нет — снова
   4         lb      $a0 0xffff0004          # считаем символ
   5         li      $v0 11                  # выведем его
   6         syscall
   7         b       loop

Чуть более сложный пример с выводом, в котором видна проблема переполнения. Вывод начинает работать (точнее, бит готовности выставляется в первый раз) только после нажатия «Reset» (подозреваю, что это — тоже пример из «реальной жизни»: при включении питания многие устройства находятся в неопределённом состоянии и требуют инициализации).

   1         li      $t1 0
   2 loop:   beqz    $t1 noout               # выводить не надо
   3 loopi:  lb      $t0 0xffff0008          # готовность вывода
   4         andi    $t0 $t0 1               # есть?
   5         beqz    $t0 loopi               # а надо! идём обратно
   6         sb      $t1 0xffff000c          # запишем байт
   7         li      $t1 0                   # обнулим данные
   8 noout:  lb      $t0 0xffff0000          # готовность ввода
   9         andi    $t0 $t0 1               # есть?
  10         beqz    $t0 loop                # нет — снова
  11         lb      $t1 0xffff0004          # считаем символ
  12         b       loop

Выставляя ползунок «Delay Length» в большое значение, мы заставляем консоль долго не давать готовности по выводы (в течение, скажем, 20 инструкций). Пока программа находится в половинке вывода (цикл loopi:), она не успевает за вводом.

Задание: пронаблюдать, что происходит с регистрами ввода, когда пользователь много нажимает на клавиатуре, а программа не успевает считать.

Главное свойство консоли она может инициировать прерывания в момент готовности ввода или вывода. Устанавливая в 1 первый бит в регистре RcC, мы разрешаем консоли возбуждать прерывание всякий раз, как пользователь нажал на клавишу. Устанавливая в 1 первый бит регистра TxC, мы разрешаем прерывание типа «окончание вывода». И в том, и в другом случае прерывание возникает одновременно с появлением бита готовности (нулевого) в соответствующем регистре. Таким образом, вместо постоянного опроса регистра мы получаем однократный вызов обработчика в подходящее время. Рассмотрим пример очень грязного обработчика прерывания от клавиатуры, который ничего не сохраняет, не проверяет причину события и номер прерывания. Зато по этому коду хорошо видна асинхронная природа работы прерывания. Рекомендуется выставить ползунок Mars «Run speed» в низкое значение (например, 5 раз в секунду).

   1         li      $a0 2                   # разрешим прерывания от клавиатуры
   2         sw      $a0 0xffff0000
   3         li      $a0 0
   4 loop:   beqz    $a0 loop                # вечный цикл
   5         beq     $a0 0x1b done           # ESC — конец
   6         li      $v0 11                  # выведем символ
   7         syscall
   8         li      $a0 0                   # затрём $a0
   9         j       loop
  10 done:   li      $v0 10
  11         syscall
  12 
  13 .ktext  0x80000180                      # очень грязный код обработчика
  14         lw      $a0 0xffff0004          # считаем символ
  15         eret

В примере ниже «полезные вычисления» делает подпрограмма sleep (на самом деле ничего полезного), время от времени проверяя содержимое ячейки 0 в глобальной области. Это лучше, чем модифицировать регистр или метку, определяемую пользовательской программой. Обработчик клавиатурного прерывания (для простоты — не проверяя, клавиатурное ли оно) записывает в эту ячейку код нажатой клавиши.

   1 .text
   2         .globl main
   3 main:
   4         mfc0    $a0 $12                 # read from the status register
   5         ori     $a0 0xff11              # enable all interrupts
   6         mtc0    $a0 $12                 # write back to the status register
   7 
   8         li      $a0 2                   # enable keyboard interrupt
   9         sw      $a0 0xffff0000
  10 
  11 here:
  12         jal     sleep
  13         lw      $a0 ($gp)               # print key stored in ($gp)
  14         beq     $a0 0x1b done           # ESC terminates
  15         li      $v0 1
  16         syscall
  17         j       here
  18 done:   li      $v0 10
  19         syscall
  20 
  21 .eqv    ZZZ     100000
  22 sleep:  li      $t0 ZZZ                 # Do nothing
  23 tormo0: subi    $t0 $t0 1
  24         blez    $t0 tormo1
  25         j       tormo0
  26 tormo1: jr      $ra
  27 
  28 .ktext  0x80000180                      # kernel code starts here
  29 
  30         mfc0    $k0 $12                 # !! disable interrupts
  31         andi    $k0 $k0 0xfffe          # !!
  32         mtc0    $k0 $12                 # !!
  33 
  34         move    $k1 $at                 # save $at. User programs are not supposed to touch $k0 and $k1
  35         sw      $v0 s1                  # We need to use these registers
  36         sw      $a0 s2                  # not using the stack
  37 
  38         mfc0    $k0 $13                 # Cause register
  39         srl     $a0 $k0 2               # Extract ExcCode Field
  40         andi    $a0 $a0 0x1f
  41         bne     $a0 $zero kexc          # Exception Code 0 is I/O. Only processing I/O here
  42 
  43         lw      $a0 0xffff0004          # get the input key
  44         sw      $a0 ($gp)               # store key
  45         li      $a0 '.'                 # Show that we handled the interrupt
  46         li      $v0 11
  47         syscall
  48         j       kdone
  49 
  50 kexc:   mfc0    $v0 $14                 # No exceptions in the program, but just in case of one
  51         addi    $v0 $v0 4               # Return to next instruction
  52         mtc0    $v0 $14
  53 kdone:
  54         lw      $v0 s1                  # Restore other registers
  55         lw      $a0 s2
  56         move    $at $k1                 # Restore $at
  57         mtc0    $zero $13
  58 
  59         mfc0    $k0 $12                 # Set Status register
  60         ori     $k0 0x01                # Interrupts enabled
  61         mtc0    $k0 $12                 # write back to status
  62 
  63         eret
  64 
  65 .kdata
  66 s1:     .word 10
  67 s2:     .word 11

Символами "!!" отмечены инструкции, при выполнении которых в MARS может возникнуть фатальный повторный вход в обработчик события.

Кольцевой буфер

В разделе «Прерывания» мы уже встретились с основным свойством обработчика прерываний: обрабатывать надо быстро. Поэтому вся логика обработки должна находится в пользовательской программе, а обработчику, скажем, клавиатурного прерывания остаётся только перекладывать из регистра ввода куда-нибудь.

С другой стороны, приведённый там пример обработчика мало чем отличается от традиционного поллинга — та же проверка, был ли ввод или не было, только вместо регистра готовности опрашиваем ячейку памяти. Если делать это слишком редко, легко пропустить очередной ввод, а если слишком часто — потратить время на опрос вместо полезных действий.

Итак, главная проблема — синхронность побайтового ввода и обработки прерываний. И задача в том, чтобы обеспечить рассинхронизацию ввода и вывода: прерывание обрабатывается, когда оно происходит, а программа вводит свои байты, когда может.

Разумеется, для этого надо хранить не один обработанный, но ещё не запрошенный программой байт, а несколько. Эффективная структура, решающая такую задачу — кольцевой буфер.

Кольцевой буфер — массив (реже — список) данных, предназначенный для временного хранения асинхронно поступающих и асинхронно отбывающих данных.

RB0.png

Размер буфера не является ограничением: когда HI подберётся к концу, в начале уже образуются свободные места и HI при очередном сдвиге начнёт указывать в начало

RB1.png

Аналогично произойдёт и с LO.

Вполне возможна ситуация, когда данных больше не прибыло, а программа требует ещё ввода. Эта ситуация называется исчерпанием буфера и распознаётся по тому, что HI и LO содержат один и тот же адрес:

RB2.png

Вариантов обработки исчерпания два:

  1. Заданным образом уведомить программу, что данных ещё нет (например, вернуть специальное служебное значение)
    • Это называется неблокирующим вводом

  2. Задержать операцию снятия данных до тех пор, пока они не появятся
    • Это называется блокирующим вводом

  3. Продолжить скакать по уже введённым когда-то данным, как если бы исчерпания не было
    • это называется грубой ошибкой алгоритма!

Заметим, что в момент создания кольцевой буфер находится в состоянии исчерпания (HI и LO указывают на нулевой элемент)

Другая ситуация — переполнение буфера: данные всё прибывают, а забирать их никто не хочет. Переполнение кольцевого буфера распознаётся по тому, что LO содержит адрес ячейки, следующей за HI (в кольце):

RB3.png

Вариантов обработки переполнения 2 (два других — плохие, негодные):

  1. Продолжать вводить, но не увеличивать HI. При этом все прибывшие после переполнения данные, кроме последнего элемента, исчезают.
    • Если источник данных позволяет, можно заранее уведомить его о переполнении — может, он приостановит передачу на время.

    • Правда, для этого надо усложнить алгоритм работы, введя «верхний урез» поверхности буфера, при котором устройство уведомляется о приближающемся переполнении, и «нижний урез», при котором оно уведомляется о том, что переполнение больше не грозит.
  2. Выбрасывать все вновь прибывающие данные, пока для них нет места в буфере.
    • См. примечания выше
  3. Продолжать как ни в чём ни бывало вводить и увеличивать HI.
    • При этом внезапно™ возникает ситуация исчерпания и пропадает всё содержимое буфера

  4. Задерживать ввод до тех пор, пока свободное место в буфере не появится.
    • Если обрабатывать таким образом прерывание ввода, то возникнет т. н. взаимоблокировка (deadlock): пока мы не вышли из прерывания, программа не может забрать данные из буфера, а пока программа не забрала данные из буфера, мы сидим в прерывании и ждём

    • никаких ожиданий в обработчике прерываний! Нет, значит — нет

Ввод с помощью кольцевого буфера

В этом примере, помимо кольцевого буфера ввода, присутствует два новых приёма.

Есть подозрение, что регистров ядра $k два потому, что немедленно и безусловно надо сохранять как раз два пользовательских регистра — $at и $sp.

Стек удобно располагать от самой верхней доступной ячейки памяти. Оказалось, что MARS выделяет под память ядра 4 Мб, так что максимальный адрес получается 0x90400000

При обработке событий важно сразу разделить исключения (для возврата из которых надо прибавлять 4 к содержимому $EPC) и прерывания (для которых не надо):

   1         mfc0    $k0 $13                 # Причина
   2         andi    $k1 $k0 0x7c            # Исключение или прерывание?
   3         bnez    $k1 exception           # …исключение
   4         andi    $k1 $k0 0x100           # Клавиатура?
   5         beqz    $k1 other               # …не клавиатура
   6         lw      $k0 0xffff0004          # считаем код
   7 
   8         lw      $k1 kinhi               # Свободное место в буфере
   9         sb      $k0 kin($k1)            # сложим туда байт
  10         addi    $k1 $k1 1               # следующее место
  11         andi    $k1 $k1 IOSZB           # кольцо
  12         lw      $k0 kinlo
  13         beq     $k0 $k1 final           # переполнение буфера
  14         sw      $k1 kinhi               # сохраним индекс в кольце
  15 
  16         j       final
  17 
  18 other:
  19         j final

Здесь реализована обработка переполнения с отбрасыванием предыдущего введённого.

Других обработчиков прерываний нет, но есть обработчик исключения. Дело в том, что ввод символа из программы в нашем примере реализован нестандартным для Mars системным вызовом №22 (и это второй новый приём). Для начала обработаем все исключения, кроме исключения «ошибочный системный вызов», которое имеет №8 , но в регистре $13 (Cause) кодируется со сдвигом на 2 бита как 0x20 :

   1 exception:
   2         beq     $k1 0x20 sysexc         # syscall
   3 fatalexc:                               # необрабатываемое исключение
   4         la      $a0 kmsgexc             # можно пользоваться любыми регистрами:
   5         li      $v0 4                   # всё равно аварийный останов
   6         syscall
   7         sra     $a0 $k1 2
   8         li      $v0 34
   9         syscall
  10         la      $a0 kmsgat
  11         li      $v0 4
  12         syscall
  13         mfc0    $a0 $14
  14         li      $v0 34
  15         syscall
  16         li      $v0 17
  17         syscall

Поскольку в случае необрабатываемого исключения всё равно программу надо завершить, использование регистров больше не ограничено.

Константа IOSIZE — размер буфера. Размер — степень 2, так что вместо деления с остатком на этот размер при замыкании буфера в кольцо мы используем побитовое AND с маской IOSZB=(ШИРИНА-12)

Теперь обработаем исключение 8. Нас интересует только номер сервиса 22 (это будет буферизованный ввод):

   1 sysexc: beq     $v0 22 sysin
   2         j       fatalexc
   3 sysin:
   4         lw      $k0 kinhi               # есть ли в буфере данные
   5         lw      $k1 kinlo               # hilo
   6         bne     $k0 $k1 sysinY          # есть
   7         li      $v0 -1                  # нету
   8         j       exfinal
   9 sysinY: lb      $v0 kin($t1)            # очередной символ
  10         addi    $t1 $t1 1               # буфер прокрутим
  11         andi    $t1 $t1 IOSZB
  12         sw      $t1 kinlo
  13         j       exfinal

Здесь введена договорённость о неблокирующем вводе: если новых байтов ещё нет, возвращается -1

Осталось только написать эпилог (не забудем прибавить 4 к $ESP в обработчиках исключений)

   1 exfinal:
   2         mfc0    $k0 $14                 # Завершаем исключение
   3         addiu   $k0 $k0 4
   4         mtc0    $k0 $14
   5 final:
   6         pop     $k1
   7         pop     $k0
   8         sw      $sp ksp
   9         move    $sp $k1
  10         move    $at $k0
  11 
  12         mtc0    $zero $13               # зануляем причину
  13         mfc0    $k0 $12                 #
  14         ori     $k0 0x01                #
  15         mtc0    $k0 $12                 # разрешаем
  16 
  17         eret

Наконец, вот код основной программы. Для пущей асинхронности время в ней тратится в цикле случайной длины.

   1 .text
   2         lw      $t0 0xffff0000
   3         ori     $t0 $t0 2               # Включили клавиатуру
   4         sw      $t0 0xffff0000
   5 
   6 loop:   li      $v0 22                  # НОВЫЙ syscall
   7         syscall
   8         bltz    $v0 noinput
   9         beq     $v0 0x1b end            # ESC — выход
  10         move    $a0 $v0
  11         li      $v0 1                   # выведем
  12         syscall
  13         li      $a0 0x20                # с пробелом
  14         li      $v0 11
  15         syscall
  16         j       loop                    # есть ещё ввод?
  17 noinput:
  18         jal     sleeprnd
  19         j       loop
  20 end:    li      $v0 10
  21         syscall
  22 
  23         # прождать случайное время
  24 sleeprnd:
  25         li      $a0 0
  26         li      $a1 100000
  27         li      $v0 42
  28         syscall
  29 sleepnext:
  30         subi    $a0 $a0 1
  31         blez    $a0 sleepdone
  32         mul.d   $f0 $f0 $f0
  33         j       sleepnext
  34 sleepdone:
  35         jr      $ra

Прямой доступ к памяти

Базовая статья на Хабре

⇒ Пускай само устройство научится есть из тарелчитать из оперативной памяти и записывать в неё

Д/З

TODO

LecturesCMC/ArchitectureAssembler2019/09_Interrupts (last edited 2019-05-17 12:28:53 by FrBrGeorge)