Kap.2Befehlsschnittstelle

Prozessoren,externe Sicht

z2.1 elementare Datentypen, Operationenz2.2 logische Speicherorganisationz2.3 Maschinenbefehlssatzz2.4 Klassifikation von Befehlsstzenz2.5 Ausnahmesituationen bzw. Exceptionsz2.6 Prozesse

2.5 Ausnahmesituationen bzw. Exceptions

zSituationen whrend der Bearbeitung von Programmen, die besondere Behandlung erfordernzFolgende Mechanismen lassen sich unter

dem Begriff Exceptions zusammenfassen:ySoftwareinterruptsyTrapsy(Hardware-)Interrupts

Prozessorinterne Exceptionszz DefinitionDefinition

Ein prozessorinternes Ereignis, welches den normalen Programmablauf unterbricht, heit prozessorinterneprozessorinterneExceptionException..

z Man unterscheidet verschiedene Arten von prozessorinternen Exceptions:ySoftwareinterrupts: ber Softwareinterrupts lassen sich (z.B.

auch im User-Modus) Betriebssystemroutinen aufrufen. In ihrer Wirkung entsprechen sie Unterprogrammaufrufen. Der aufgerufene Softwareinterrupt wird nicht direkt durch Angabe der Adresse des Programmcodes, sondern durch eineInterruptnummer spezifiziert.

yTraps: Ausnahmesituationen, die durch prozessorinterne Fehler hervorgerufen werden.

Trapsz Beispiele:

y arithmetischer berlaufyDivision durch Nully ungltiger Befehlscodey Seitenfehler beim Speicherzugriff eines mit Paging arbeitenden

Prozessorsy ...

z Ablauf:y Schreibe Rcksprungadresse auf Stack oder in dafr vorgesehenes

Registery Schreibe Registerinhalte auf Stacky Rufe Betriebssystemroutine zur Fehlerbehandlung auf, diedas aktuelle User-Programm mit Fehlermeldung abbricht (z.B. bei

Division durch Null), d.h. nicht mehr zurckspringt, oderdie Fehlersituation behandelt (bei Seitenfehler z.B. Laden einer

neuen Seite in den Hauptspeicher oder Fehlermeldung bei Overflow), die Registerinhalte wieder rekonstruiert und zurckspringt

Alternativen zu Traps

z Je nach Prozessor werden nicht bei allen prozessorinternen Fehlersituationen Traps ausgelst.

z Z.B. bei arithmetischen berlufen wird hufig auch wie folgt vorgegangen:yEin bestimmtes Flag im Condition-Code-Register wird gesetzt.yDer Programmierer muss selbst den Inhalt des Flags im

folgenden Programm auswerten und entsprechend reagieren.

Interrupts (1)

DefinitionDefinitionEin Ein prozessorprozessorexternes Ereignis, welches den normalen Programmablauf unterbricht, heit Hardwareinterrupt Hardwareinterrupt oder kurzInterrupt.Interrupt.Interrupts werden durch asynchron zum Prozessor laufende externe Gerte erzeugt und dienen zur Kommunikation mit dem Prozessor.

. BeispieleBeispiele: Eingabe ber Tastatur/Maus Diskettenlaufwerk / Festplatte meldet, da Eingabedaten vorhanden

sind (die vorher durch ein Kommando an das externe Gert angefordert wurden).

Externes Gert (Festplatte,Netzwerk) meldet, da Datenbertragungbeendet.

Externes Gert meldet Fehler bei Datenbertragung.

Interrupts (2)

Interrupts werden mit densselben Mechanismen behandelt wieprozessorinterne Exceptions.

BeispielBeispielDer Nutzer drckt eine Taste der Tastaturz CPU unterbricht aktuelles Programmz Schreibe Rcksprungadresse auf Stack oder in dafr

vorgesehenes Registerz Schreibe Registerinhalte auf Stackz Rufe Betriebssystemroutine auf, die folgendes tut:zTastaturcode wird berprftzweitere Aktionen (z.B. nach Ctrl-Alt-Del) oder Speicherung im

Tastaturpufferz Ttigkeit wird an unterbrochener Stelle im alten Zustand

fortgesetzt

Exkurs: Alternativen zu Interrupt-driven IOz Alternative 1: PollingyUm anliegende Eingaben oder Rckmeldungen externer Gerte

zu erkennen, fhrt der Prozessor in regelmigen Abstnden Softwareinterrupts aus, um den Status der externen Gerte der Reihe nach abzufragen.

yNachteil: Hoher Overhead durch unntige Abfragen

z Alternative 2: DMA = Direct Memory AccessyKommunikation direkt zwischen Hauptspeicher und externem

Gert.yVorteil: Entlastung des Prozessors, speziell bei blockweiser

DatenbertragungyKommunikation ausschlielich ber einen DMA-ControlleryDMA-Controller bernimmt Datenbertragung zwischen Speicher

und externem Gert, bentigt dabei den Systembus.yCPU kann whrend der bertragung weiterarbeiten, solange der

Systembus nicht bentigt wird.

Prozessorinterne Exceptions und Interrupts (1)

Trap oder Interrupt

intern/externHardware-Fehlfunktion

InterruptexternI/O-Request

Trapinternundefinierter Opcode

Trapinternarithmetischer berlauf

BezeichnungausgelstEreignis

Prozessorinterne Exceptions und Interrupts (2)

Wesentlicher UnterschiedWesentlicher Unterschied

yProzessorinterne Exceptions sind synchronsynchron zum ausgefhrten Programm,yInterrupts hingegen asynchronasynchron

Prozessorinterne Exceptions sind reproduzierbar, indem bei gleichem Systemstatus das Programm mit den gleichen Eingaben wiederholt gestartet wird.

1. Mglichkeit zur Behandlung von Exceptions

z Bei der Behandlung von Exceptions mu zunchst die Ursache derException bestimmt werden.

zz 1. 1. MglichkeitMglichkeit::y Es wird eine spezielle Ausnahmeroutine, die

UnterbrechungsbehandlungsroutineUnterbrechungsbehandlungsroutine oder auch InterrupthandlerInterrupthandlergenannt, aufgerufen.

y Rcksprungadresse und Registerinhalte werden wie schon erwhnt gesichert.

y Bei Auftreten einer Exception wurde ein bestimmtes Bit (Flag) imCauseregister gesetzt. Dieses kann vom Handler abgefragt werden.

yDer Interrupthandler springt aufgrund der festgestellten Ursache zu dem entsprechenden Code, der die Exception behandelt.

yWenn User-Programm nicht vom Interrupthandler abgebrochen: Rekonstruktion der Registerinhalte und Rcksprung (RTIRTI (RReturn-ffrom-IInterrupt))

2. Mglichkeit zur Behandlung von Exceptions

zz 2. 2. MglichkeitMglichkeit (Vectored Interrupt):(Vectored Interrupt):yDie Ursache der Exception wird der CPU von der Hardware (von einem

externen Gert bei Interrupt, von der CPU-Steuereinheit bei Trap) alsIndex einer InterrupttabelleInterrupttabelle bereitgestellt.

yDie Indizes werden als IInterrupt-VVektornnummern (IVNIVN)bezeichnet.

yDie Tabelle liegt oftmals auf den ersten Adressen des Hauptspeichers

y In dieser InterrupttabelleInterrupttabelle sind die Adressen fr die zu speziellenInterrupts gehrenden Routinen (ISRISR: IInterrupt-SService-RRoutine) gespeichert.

y Es wird die entsprechende Spezialroutine aufgerufen.

MIPS:Exception-Codes im Cause-Registerz CPU verfgt ber spezielle Register fr die Ausnahmebehandlung

Im Falle einer Exception erfolgt ein Sprung an eine fest definierte Adresse, an der der Interrupthandler steht. Der Exception Code dient zur Feststellung der Ursache der Exception und kann nun demCause-Register entnommen werden (Bit 5-2).

Adresse des Befehls, der die Exception auslste

14EPC

Exception Type13Cause

Interrupt Maske und Enable Bits12Status

ErluterungErluterungNr.Nr.RegisterRegister

IBM PC Interrupt-Tabelle

IDE1 Festplatte / CDROM / ...FIDE0 Festplatte / CDROM / ...ENumeric Coprocessor ErrorDPS2 MausportCReal Time Clock (CMOS Clock)8LPT1 (paralleler Port)7Floppy Disk6LPT2 (paralleler Port)5COM1 and COM3 (serieller Port)4COM2 and COM4 (serieller Port)3Keyboard1Timer (55 ms Intervall)0Function Function INTINT

(Hier nur Indizes fr (Hardware-)Interrupt angegeben!)

Maskierbare / Nichtmaskierbare Interrupts

Prozessoren unterscheiden zwischenmaskierbarenmaskierbaren und nichtmaskierbarennichtmaskierbaren InterruptsInterrupts:

zz maskierbarermaskierbarer InterruptInterrupt:

z wird nur dann ausgefhrt, wenn das IInterrupt EEnable Bit (IEIE) in einem dafr vorgesehenen Register gesetzt ist. (MIPS: Bits 8-15 im Status-Register)

z Der Nutzer kann den Registerinhalt ndern.

zz nichtmaskierbarernichtmaskierbarer Interrupt (NMI):Interrupt (NMI):

z wird auf jeden Fall ausgefhrt. Bei NMI handelt es sich blicherweiseum Ausnahmesituationen, die die Funktionalitt des Systems gefhrden(Bsp.: Notprogramm bei Zusammenbruch der Betriebsspannung).

Interrupt in Interrupt-Service-Routine

SzenarioSzenarioEs besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, da innerhalb einer ISR (z.B. durch ein I/O-Device verursacht) ein weiteres I/O-Device seinen Interrupt auslst!

Mgliche LsungenMgliche Lsungenz Erster Befehl in der ISR ist Ausmaskierung aller Interrupts

keine weiteren Interrupts mglich

z Vergabe von Interruptprioritten derart, da ein kritisches I/O-Device eine hhere Prioritt, als ein weniger kritisches Device hat.

Interrupt-Priorittz Falls ein Device mit Prioritt n einen Interrupt auslst, so startet die

ISR mit Prioritt n . Wird ein Interrupt mit einer Prioritt m>n ausgelst, so wird die aktuelle ISR unterbrochen und eine neue ISR der Prioritt m sofort gestartet.

z Der Versuch eines Gertes mit einer niedrigeren Prioritt als n die ISR zu unterbrechen, wird ignoriert und der Interruptcode wird zur spteren Ausfhrung zwischengespeichert (pending Interruptpending Interrupt).

z Nach Abarbeitung der ISR geht das System auf die user-Prioritt (userpriorityuserpriority 00) zurck.

Interrupt-Prioritten: Illustration

user user

printer

user

printer

RS232

user

printer

Disk

user

printer ff

Interruptprinter

InterruptRS232

InterruptDisk (priority 4)

pending

time

Belegung des Belegung des StacksStacks time

Prioritt

5

4

3

2

1

0

BearbeitungBearbeitung

Interrupt-Prioritten

z Prozessoren mit nur einem Interrupt