Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.
Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).
Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.
Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:
| Байт 0 | Байт 1 | Байт 2 | Байт 3 | Байт 4 | Байт 5 | Байт 6 | Байт 7 |
| ПОЛУСЛОВО | ПОЛУСЛОВО | ПОЛУСЛОВО | ПОЛУСЛОВО | ||||
| СЛОВО | СЛОВО | ||||||
| ДВОЙНОЕ СЛОВО | |||||||
Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.
Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.
Для обработки событий, происходящих асинхронно по отношению к выполнению программы, лучше всего подходит механизм прерываний.
Прерывание можно рассматривать как некоторое особое событие в системе, требующее моментальной реакции. Например, хорошо спроектированные системы повышенной надежности используют прерывание по аварии в питающей сети для выполнения процедур записи содержимого регистров и оперативной памяти на магнитный носитель, с тем чтобы после восстановления питания можно было продолжить работу с того же места.
Кажется очевидным, что возможны самые разнообразные прерывания по самым различным причинам. Поэтому прерывание рассматривается не просто как таковое, с ним связывают число, называемое номером типа прерывания или просто номером прерывания. С каждым номером прерывания связывается то или иное событие. Система умеет распознавать, какое прерывание, с каким номером произошло и запускает соответствующую этому номеру процедуру.
Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. Это так называемые программные прерывания. Программные прерывания не являются асинхронными, так как вызываются из программы (а она-то знает, когда она вызывает прерывание!).
Программные прерывания удобно использовать для организации доступа к отдельным, общим для всех программ модулям. Например, программные модули операционной системы доступны прикладным программам именно через прерывания, и нет необходимости при вызове этих модулей знать их текущий адрес в памяти. Прикладные программы могут сами устанавливать свои обработчики прерываний для их последующего использования другими программами. Для этого встраиваемые обработчики прерываний должны быть резидентными в памяти.
Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и приходят асинхронно. Эти прерывания информируют систему о событиях, связанных с работой устройств, например о том, что наконец-то завершилась печать символа на принтере и неплохо было бы выдать следующий символ, или о том, что требуемый сектор диска уже прочитан его содержимое доступно программе. Использование прерываний при работе с медленными внешними устройствами позволяют совместить ввод/вывод с обработкой данных в центральном процессоре и в результате повышает общую производительность системы. Некоторые прерывания (первые пять в порядке номеров) зарезервированы для использования самим центральным процессором на случай каких-либо особых событий вроде попытки деления на ноль, переполнения и т.п.
Иногда желательно сделать систему нечувствительной ко всем или отдельным прерываниям. Для этого используют так называемое маскирование прерываний. Но некоторые прерывания замаскировать нельзя, это немаскируемые прерывания.
Заметим еще, что обработчики прерываний могут сами вызывать программные прерывания, например, для получения доступа к сервису BIOS или DOS (сервис BIOS также доступен через механизм программных прерываний).
Составление собственных программ обработки прерываний и замена стандартных обработчиков DOS и BIOS является ответственной и сложной работой. Необходимо учитывать все тонкости работы аппаратуры и взаимодействия программного и аппаратного обеспечения. При отладке возможно разрушение операционной системы с непредсказуемыми последствиями, поэтому надо очень внимательно следить за тем, что делает Ваша программа.
Для того чтобы связать адрес обработчика прерывания с номером прерывания, используется таблица векторов прерываний, занимающая 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.
Прерыванию с номером 0 соответствует адрес 0000:0000, прерыванию с номером 1 - 0000:0004 и т.д.
Инициализация таблицы происходит частично BIOS после тестирования аппаратуры и перед началом загрузки операционной системой, частично при загрузке DOS. DOS может переключить на себя некоторые прерывания BIOS.
Рассмотрим содержимое таблицы векторов прерываний. Приведем
назначение некоторых наиболее важных векторов:
| Номер | Описание |
| 0 | Ошибка деления. Вызывается автоматически после выполнения команд DIV или IDIV, если в результате деления происходит переполнение (например, при делении на 0). DOS обычно при обработке этого прерывания выводит сообщение об ошибке и останавливает выполнение программы. Для процессора 8086 при этом адрес возврата указывает на следующую после команды деления команду, а в процессоре 80286 - на первый байт команды, вызвавшей прерывание. |
| 1 | Прерывание пошагового режима. Вырабатывается после выполнения каждой машинной команды, если в слове флагов установлен бит пошаговой трассировки TF. Используется для отладки программ. Это прерывание не вырабатывается после выполнения команды MOV в сегментные регистры или после загрузки сегментных регистров командой POP. |
| 2 | Аппаратное немаскируемое прерывание. Это прерывание может использоваться по-разному в разных машинах. Обычно вырабатывается при ошибке четности в оперативной памяти и при запросе прерывания от сопроцессора. |
| 3 | Прерывание для трассировки. Это прерывание генерируется при выполнении однобайтовой машинной команды с кодом CCh и обычно используется отладчиками для установки точки прерывания. |
| 4 | Переполнение. Генерируется машинной командой INTO, если установлен флаг OF. Если флаг не установлен, то команда INTO выполняется как NOP. Это прерывание используется для обработки ошибок при выполнении арифметических операций. |
| 5 | Печать копии экрана. Генерируется при нажатии на клавиатуре клавиши PrtScr. Обычно используется для печати образа экрана. Для процессора 80286 генерируется при выполнении машинной команды BOUND, если проверяемое значение вышло за пределы заданного диапазона. |
| 6 | Неопределенный код операции или длина команды больше 10 байт (для процессора 80286). |
| 7 | Особый случай отсутствия математического сопроцессора (процессор 80286). |
| 8 | IRQ0 - прерывание интервального таймера, возникает 18,2 раза в секунду. |
| 9 | IRQ1 - прерывание от клавиатуры. Генерируется при нажатии и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных от клавиатуры. |
| A | IRQ2 - используется для каскадирования аппаратных прерываний в машинах класса AT. |
| B | IRQ3 - прерывание асинхронного порта COM2. |
| C | IRQ4 - прерывание асинхронного порта COM1. |
| D | IRQ5 - прерывание от контроллера жесткого диска для XT. |
| E | IRQ6 - прерывание генерируется контроллером флоппи-диска после завершения операции. |
| F | IRQ7 - прерывание принтера. Генерируется принтером, когда он готов к выполнению очередной операции. Многие адаптеры принтера не используют это прерывание. |
| 10 | Обслуживание видеоадаптера. |
| 11 | Определение конфигурации устройств в системе. |
| 12 | Определение размера оперативной памяти в системе. |
| 13 | Обслуживание дисковой системы. |
| 14 | Последовательный ввод/вывод. |
| 15 | Расширенный сервис для AT-компьютеров. |
| 16 | Обслуживание клавиатуры. |
| 17 | Обслуживание принтера. |
| 18 | Запуск BASIC в ПЗУ, если он есть. |
| 19 | Загрузка операционной системы. |
| 1A | Обслуживание часов. |
| 1B | Обработчик прерывания Ctrl-Break. |
| 1C | Прерывание возникает 18.2 раза в секунду, вызывается программно обработчиком прерывания таймера. |
| 1D | Адрес видеотаблицы для контроллера видеоадаптера 6845. |
| 1E | Указатель на таблицу параметров дискеты. |
| 1F | Указатель на графическую таблицу для символов с кодами ASCII 128-255. |
| 20-5F | Используется DOS или зарезервировано для DOS. |
| 60-67 | Прерывания, зарезервированные для пользователя. |
| 68-6F | Не используются. |
| 70 | IRQ8 - прерывание от часов реального времени. |
| 71 | IRQ9 - прерывание от контроллера EGA. |
| 72 | IRQ10 - зарезервировано. |
| 73 | IRQ11 - зарезервировано. |
| 74 | IRQ12 - зарезервировано. |
| 75 | IRQ13 - прерывание от математического сопроцессора. |
| 76 | IRQ14 - прерывание от контроллера жесткого диска. |
| 77 | IRQ15 - зарезервировано. |
| 78 - 7F | Не используются. |
| 80-85 | Зарезервированы для BASIC. |
| 86-F0 | Используются интерпретатором BASIC. |
| F1-FF | Не используются. |
IRQ0-IRQ15 - это аппаратные прерывания.
Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами компьютера, когда возникает необходимость их обслуживания. Например, по прерыванию таймера соответствующий обработчик прерывания увеличивает содержимое ячеек памяти, используемых для хранения времени. 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 сразу несколько прерываний!
Для того, чтобы система "не растерялась", решая какое прерывание обслуживать в первую очередь, существует специальная схема приоритетов. Каждому прерыванию назначается свой уникальный приоритет. Если происходит одновременно несколько прерываний, то система отдает предпочтение самому высокоприоритетному, откладывая на время обработку остальных прерываний.
Уровни приоритетов обозначаются сокращенно IRQ0 - IRQ15 (для машин класса XT существуют только уровни IRQ0 - IRQ7).
Для машин XT приоритеты линейно зависели от номера уровня прерывания. IRQ0 соответствовало самому высокому приоритету, за ним шли IRQ1, IRQ2, IRQ3 и так далее. Уровень IRQ2 в машинах класса XT был зарезервирован для дальнейшего расширения системы. И начиная с машин класса AT IRQ2 стал использоваться для каскадирования контроллеров прерывания 8259. Добавленные приоритетные уровни IRQ8 - IRQ15 в этих машинах располагаются по приоритету между IRQ1 и IRQ3.
Приведем таблицу аппаратных прерываний, расположенных в порядке
приоритета:
| Номер | Описание |
| 8 | IRQ0 прерывание интервального таймера, возникает 18,2 раза в секунду. |
| 9 | IRQ1 прерывание от клавиатуры. Генерируется при нажатии и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных с клавиатуры. |
| A | IRQ2 используется для каскадирования аппаратных прерываний в машинах класса AT. |
| 70 | IRQ8 прерывание от часов реального времени. |
| 71 | IRQ9 прерывание от контроллера EGA. |
| 72 | IRQ10 зарезервировано. |
| 73 | IRQ11 зарезервировано. |
| 74 | IRQ12 зарезервировано. |
| 75 | IRQ13 прерывание от математического сопроцессора. |
| 76 | IRQ14 прерывание от контроллера жесткого диска. |
| 77 | IRQ15 зарезервировано. |
| B | IRQ3 прерывание асинхронного порта COM2. |
| C | IRQ4 прерывание асинхронного порта COM1. |
| D | IRQ5 прерывание от контроллера жесткого диска для XT. |
| E | IRQ6 прерывание генерируется контроллером флоппи диска после завершения операции |
| F | IRQ7 прерывание принтера. Генерируется принтером, когда он готов к выполнению очередной операции. Многие адаптеры принтера не используют это прерывание. |
Из таблицы видно, что самый высокий приоритет у прерываний от интервального таймера, затем идет прерывание от клавиатуры.
Для управления схемами приоритетов необходимо знать внутреннее устройство контроллера прерываний 8259. Поступающие прерывания запоминаются в регистре запроса на прерывание IRR. Каждый бит из восьми в этом регистре соответствует прерыванию. После проверки на обработку в настоящий момент другого прерывания запрашивается информация из регистра обслуживания ISR. Перед выдачей запроса на прерывание в процессор проверяется содержимое восьмибитового регистра маски прерываний IMR. Если прерывание данного уровня не замаскировано, то выдается запрос на прерывание.
Наиболее интересными с точки зрения программирования контроллера прерываний являются регистры маски прерываний IMR и управляющий регистр прерываний.
В машинах класса XT регистр маски прерываний имеет адрес 21h, управляющий регистр прерываний - 20h. Для машин AT первый контроллер 8259 имеет такие же адреса, что и в машинах XT, регистр маски прерываний второго контроллера имеет адрес A1h, управляющий регистр прерываний - A0h.
Разряды регистра маски прерываний соответствуют номерам IRQ. Для того, чтобы замаскировать аппаратное прерывание какого-либо уровня, надо заслать в регистр маски байт, в котором бит, соответствующий этому уровню, установлен в 1. Например, для маскирования прерываний от НГМД в порт 21h надо заслать двоичное число 01000000.
Программируемый контроллер прерываний 8259 предназначен для обработки до восьми приоритетных уровней прерываний. Возможно каскадирование микросхем, при этом общее число уровней прерываний будет достигать 64.
Контроллер 8259 имеет несколько режимов работы, которые устанавливаются программным путем. В персональных компьютерах XT и AT за первоначальную установку режимов работы микросхем 8259 отвечает BIOS.
Каждому приоритетному уровню прерывания микросхема ставит в соответствие определенный, задаваемый программно, номер прерывания. В разделе книги, посвященном особенностям обработки аппаратных прерываний, приводится такое соответствие для машин типа XT и AT.
Для обработки прерываний контроллер имеет несколько внутренних регистров. Это регистр запросов прерываний IRR, регистр обслуживания прерываний ISR, регистр маски прерываний IMR. В регистре IRR хранятся запросы на обслуживание прерываний от аппаратуры. После выработки сигнала прерывания центральному процессору соответствующий разряд регистра ISR устанавливается в единичное состояние, что блокирует обслуживание всех запросов с равным или более низким приоритетом. Устранить эту блокировку можно либо сбросом соответствующего бита в ISR, либо командой специального маскирования.
Имеется два типа команд, посылаемых программой в контроллер 8259 - команды инициализации и команды операции. Возможны следующие операции:
Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access - DMA) используется для выполнения операций передачи данных непосредственно между оперативной памятью и устройствами ввода/вывода. Обычно это такие устройства, как НГМД, НМД, кассетные накопители на магнитной ленте КНМЛ (стримеры).
При использовании DMA процессор не участвует в операциях ввода/вывода, контроллер прямого доступа сам формирует все сигналы, необходимые для обмена данными с устройством. Скорость такого непосредственного обмена значительно выше, чем при традиционном вводе/выводе с использованием центрального процессора и команд INP, OUT.
Контроллер прямого доступа для IBM PC/XT реализован на базе
микросхемы Intel 8237A и содержит четыре канала. Эти каналы используются
следующим образом:
| 0 | обновление содержимого динамической памяти компьютера, этот канал имеет наивысший приоритет; |
| 1 | не используется; |
| 2 | адаптер накопителя на гибком магнитном диске (НГМД); |
| 3 | адаптер накопителя на магнитном диске (НМД) - этот канал имеет низший приоритет. |
Каждый канал содержит 16-разрядные регистры:
Для инициализации канала программа должна выполнить следующие шаги:
Сразу после разрешения канал начинает передачу данных. После окончания передачи данных устройство обычно вырабатывает прерывание, которое служит признаком окончания передачи данных.
Контроллер DMA компьютера IBM AT совместим снизу вверх с контролером IBM PC/XT. Он состоит из двух каскадно включенных микросхем Intel 8237A-5. Второй контроллер обслуживает каналы DMA с номерами 4-7.
Приведем назначение каналов DMA для IBM AT:
| 0 | зарезервировано; |
| 1 | управление синхронной передачей данных SDLC (Synchronous Data Link Control); |
| 2 | адаптер накопителя на гибком магнитном диске (НГМД); |
| 3 | адаптер накопителя на магнитном диске (НМД); |
| 4 | используется для каскадного соединения с первым контроллером DMA; |
| 5-6 | зарезервировано. |
Другое отличие - это разрядность каналов. Каналы 0-3 являются каналами 8-битовой передачи данных, а каналы 4-7 обеспечивают 16-битовую передачу данных. В связи с этим используются все 8 битов регистров страниц. Формируется 24-битовый адрес из 16-ти младших битов адреса, записываемых в базовые регистры и 8-ми старших битов адреса, записываемых в регистры страниц.
Размер страницы составляет 128 килобайт, поэтому при передаче данных с использованием DMA не должна пересекаться граница 128 килобайт.
Приведем назначение и адреса регистров страниц контроллера для
IBM AT:
| 81h | Регистр страниц канала 2 |
| 82h | Регистр страниц канала 3 |
| 83h | Регистр страниц канала 1 |
| 87h | Регистр страниц канала 0 |
| 89h | Регистр страниц канала 6 |
| 8Bh | Регистр страниц канала 5 |
| 8Ah | Регистр страниц канала 7 |
| 8Fh | Регенерация динамической памяти |
Для 16-битовых каналов 4-7 передача данных начинается с границы слова и все адреса относятся к 16-битовым словам.
Эти регистры содержат базовые адреса и счетчики передаваемых данных
каналов 4-7. Их назначение приводится в следующей таблице:
| 0C0h | Запись: | Базовый адрес канала 4 |
| Чтение: | Текущий адрес | |
| 0C2h | Запись: | Счетчик канала 4 |
| Чтение: | Текущий адрес | |
| 0C4h | Запись: | Базовый адрес канала 5 |
| Чтение: | Текущий адрес | |
| 0C6h | Запись: | Счетчик канала 5 |
| Чтение: | Текущий адрес | |
| 0C8h | Запись: | Базовый адрес канала 6 |
| Чтение: | Текущий адрес | |
| 0CAh | Запись: | Счетчик канала 6 |
| Чтение: | Текущий адрес | |
| 0CCh | Запись: | Базовый адрес канала 7 |
| Чтение: | Текущий адрес | |
| 0CEh | Запись: | Счетчик канала 7 |
| Чтение: | Текущий адрес |
Это управляющие порты и порты состояния второй микросхемы 8237A-5.
По формату и назначению они соответствуют рассмотренным ранее
для контроллера DMA компьютеров IBM PC/XT:
| 0D0h | Управляющий регистр / регистр состояния |
| 0D2h | Регистр запроса |
| 0D4h | Регистр маски |
| 0D6h | Регистр режима |
| 0D8h | Сброс триггера байтов |
| 0DAh | Сброс контроллера |
| 0DCh | Сброс регистра маски |
| 0DEh | Маскирование/размаскирование каналов |