Esempio (con simulatore) di
realizzazione di Input/Output con interruzioni

La gestione delle interruzioni sarà demandata ad una procedura software (nel nostro esempio nel linguaggio che è realizzato sopra Mic-1). La presenza di richieste di interruzioni può essere "sentita" dalla nostra CPU poiché supponiamo che l'hardware della macchina faccia sì che al termine di un ciclo di clock il bit 15 del CSR del device i (0<=i<=7) venga copiato nel bit (15-i) del registro OPC (in particolare, nel nostro esempio, il bit 15 del CSR della tastiera viene copiato nel bit 15 di OPC, il bit 15 del CSR della stampante viene copiato nel bit 14 di OPC). OPC è uno dei registri della macchina Mic-1 che in questo caso supponiamo non abbia altro utilizzo.

Per far sì che la macchina possa lavorare ad interruzioni disabilitate (cioè non sempre le richieste di interruzione debbano esser "sentite" dalla CPU), utilizzeremo il bit 0 del registro OPC per indicare ciò, e praticamente OPC[0]=0 abilitiamo le interruzioni e OPC[0]=1 le disabilitiamo.

L'interprete di IJVM è realizzato in Mic-1 (per questo viene chiamato, anche nel testo, microinterprete). Le microistruzioni che lo compomgono sono contenute nel Control Store (CS).

Il microinterprete dovrà, all'inizio di ogni ciclo di fetch-execute, controllare per prima cosa che le interruzioni siano abilitate(OPC[0]=0).In caso positivo, e se è presente almeno un'interruzione, vengono eseguite le seguenti operazioni (N.B. per semplicità nella rappresentazione grafica, OPC si suppone lungo 16 bit):

Vediamo come andrebbe modificato il microcodice della Figura 4.17 del testo per far sì che ci si accorga della presenza di richieste di interruzioni e, nel caso, si eseguano le operazioni descritte in precedenza.
Per semplicità supponiamo di avere un linguaggio Mic-1 esteso nel quale sia possibile, per esempio, fare dei salti condizionati le cui condizioni sono bit di OPC o espressioni booleane che li utilizzano (con la notazione OPC[X] indichiamo il bit X di OPC). La modifica consiste in pratica nell'aggiungere le seguenti microistruzioni prima di quella con etichetta Main1:

int1 if opc[0] goto main1;/ controllo se le interruzioni sono abilitate. Estendiamo il mic-1 con il costrutto if (OPC[x]) goto main1 per indicare che si deve saltare alla etichetta main1 se il bit presente in OPC[x] è pari a uno, cioè in questo caso se le interruzioni sono disabilitate.

int2 if (not(opc[15]) and not(opc[14]) ... and not(opc[8])) goto main1; / controlla se ci sono interruzioni; se tutti i devices non fanno richiesta di interruzione si deve saltare alla etichetta main1

int3 SP=MAR=SP+1;

int4 MDR=PC; wr; /salva il PC del programma corrente sullo stack (*).

int5 SP=MAR=SP+1;

int6 MDR=OPC; wr; /salva OPC sullo Stack

int7 MAR=OxFF; rd; /iniziamo la lettura del contenuto della locazione 255. La locazione 255 contiene l'indirizzo del gestore delle interruzioni

int8 OPC[0]=1; /disabilito gli interrupt, ci penserà il gestore degli interrupt a riabilitare;

int9 PC=MDR; fetch; /inizio l'estrazione della prima istruzione del gestore delle interruzioni;

int10 /attendo il completamento del fetch precedente

main1 PC=PC+1; fetch; goto(MBR); / tutti i goto seguenti nel codice del microinterprete che prima, nel caso senza interruzioni, andavano a main1, ora devono andare a int1 /

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resto del microinterprete

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Descriviamo ora il comportamento del Gestore delle interruzioni.
Supponiamo che il gestore delle interruzioni sia un programmino in linguaggio macchina, IJVM o quello che c'è (potevamo anche pensare di averlo realizzato con un microprogramma Mic-1, nel qual caso andava modificato qualcosa nelle microistruzioni sopra).
Il gestore deve mandare in esecuzione i driver (altri programmini in linguaggio macchina) dei devices che hanno fatto richiesta di interruzione. L'ordine di esecuzione dei driver non è arbitrario, ma seguirà una certa politica (si potrebbe anche pensare che i devices hanno una certa priorità fra di loro e che queste priorità siano descritte in una particolare sezione di memoria che viene caricata, per esempio, quando il sistema viene inizializzato).Nel nostro caso la stampante ha priorità maggiore
Una volta che tutte le richieste di interruzione siano state servite, il gestore riabiliterà le interruzioni e passerà il controllo al programma che è stato interrotto. Per permettere di far ciò, supponiamo che il set di istruzioni del nostro linguaggio macchina contenga l'istruzione RETI (RETurn from Interrupt). L'esecuzione di tale istruzione, ripristinerà lo stato della computazione interrotta (per esempio ripristinando il valore del PC che era stato inserito sullo Stack) e riabiliterà le interruzioni. Ovviamente se volessimo programmare il sistema in modo che anche il gestore e/o i driver siano interrompibili, come descritto dalla fig.5.46 del testo (5.44 nella IV edizione), dovremmo modificare il microcodice in modo che non disabiliti le interruzioni. Anche l'istruzione RETI andrebbe modificata in modo da non abilitare le interruzioni. L'abilitazione e la disabilitazione potrebbero essere effettuate da due apposite istruzioni: EINT (Enable INTerrupt), DINT (Disable INTerrupt).

Un controller non è altro che l'hardware che praticamente interfaccia il device vero e proprio con il resto del sistema (possiamo pensare al chip di I/O come parte di esso); gestisce infatti l'accesso al bus (vedi sezione 3.7.1 del testo). Ogni controller nel nostro esempio avrà un registro CSR ed un registro BR.

Quando un tasto viene premuto sulla tastiera, il byte contenente il codice ASCII del carattere corrispondente al tasto premuto viene inserito nei bit 15-8 del BR della tastiera. La figura che segue rappresenta lo stato dei registri dopo la pressione del tasto "A" - carattere 65 della tabella ASCII - 01000001 Vengono nello stesso momento posti ad 1 i bit 15 (detto IP) e 0 (detto RDY) del CSR.
Il bit IP indica che viene fatta richiesta di un'interruzione dalla tastiera, mentre RDY indica la presenza di un carattere nel BR. (I bit IP e RDY non hanno sempre lo stesso valore, poiché il driver, appena inizia ad operare, pone IP a 0 per indicare che l'interruzione richiesta è stata accolta ed è in fase di elaborazione). Ovviamente è possibile che in precedenza un tasto sia stato premuto e che ancora la gestione dell'interruzione relativa non sia terminata. È possibile cioè che il controller, quando si preme un tasto, trovi ad uno il bit RDY. In questo caso possiamo supporre che quel che viene fatto sia semplicemente di inserire nei bit 13-1 del CSR un codice di errore
allo scopo di segnalare al driver una condizione di anomalia.

prova tu: clicca sulla figura qui sotto e premi qualsiasi tasto. Viene messo il codice ASCII del carattere digitato in BR, e messo a 1 IP e RDY

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Nota: Se non vedi la figura sopra hai bisogno di Java Plug-in che funziona automaticamente installando la J2SE JRE

Quando il microinterprete accoglierà la richiesta di interruzione chiamerà il driver della tastiera.

[⇑]   Il driver della tastiera

Il driver della tastiera, una volta chiamato, per prima cosa azzererà IP per segnalare al device che l'interruzione è stata accolta e che le operazioni relative stanno avendo luogo (volendo, si potrebbe anche supporre che l'hardware sia fatto in modo tale che una lettura del BR causi automaticamente l'azzeramento di IP). Poi preleverà il carattere che si trova nel BR e lo inserirà in un buffer circolare che contiene appunto i caratteri letti dal driver e che possono essere utilizzati da qualsiasi programma attraverso una procedura GETCH (tale procedura non farà altro che prelevare un carattere dal buffer circolare del driver della tastiera, magari ponendolo sullo Stack nel caso il linguaggio macchina sia IJVM). Il driver dunque, per memorizzare i caratteri letti deve anche gestire il buffer circolare. Il driver della tastiera potrebbe trovare il buffer pieno, nel qual caso il carattere viene perso ed inserisce nel CSR un codice d'errore. Dopo aver fatto quanto specificato sopra, il driver controllerà se nei bit 13-1 del CSR sia presente un codice di errore. A questo punto il driver può porre a 0 il bit RDY del CSR (indicando così che il carattere è stato prelevato), abilitare nuovamente le interruzioni e ritornare dall'interruzione.

[⇑]   Il controller della stampante