NGẮT QUÃNG (INTERRUPT)

Ngắt (interrupt) là quá trình dừng chương trình chính đang chạy để ưu tiên thực hiện
một chương trình khác, chương trình này được gọi là chương trình phục vụ ngắt (ISR –
Interrupt Service Routine). ISR hoàn toàn giống với một chương trình bình thường trên máy
tính, nghĩa là nó có khả năng truy xuất đến tất cả các lệnh ngôn ngữ máy của μP. Tuy nhiên
cuối ISR sẽ kết thúc bằng lệnh IRET (Interrupt Return) để μP tiếp tục thực hiện lệnh đã kết
thúc trước đây.

Ngắt quãng là một sự kiện xảy ra một cách ngẫu nhiên trong máy tính và làm ngưng tính tuần tự của chương trình (nghĩa là tạo ra một lệnh nhảy). Phần lớn các nhà sản xuất máy tính (ví dụ như IBM, INTEL) dùng từ ngắt quãng để ám chỉ sự kiện này, tuy nhiên một số nhà sản xuất khác dùng từ “ngoại lệ”, “lỗi”, “bẩy” để chỉ định hiện tượng này.

Bộ điều khiển của CPU là bộ phận khó thực hiện nhất và ngắt quãng là phần khó thực hiện nhất trong bộ điều khiển. Để nhận biết được một ngắt quãng lúc đang thi hành một lệnh, ta phải biết điều chỉnh chu kỳ xung nhịp và điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của máy tính.

Người ta đã nghỉ ra “ngắt quãng” là để nhận biết các sai sót trong tính toán số học, và để ứng dụng cho những hiện tượng thời gian thực. Bây giờ, ngắt quãng được dùng cho các công việc sau đây:

• Ngoại vi đòi hỏi nhập hoặc xuất số liệu.
• Người lập trình muốn dùng dịch vụ của hệ điều hành.
• Cho một chương trình chạy từng lệnh.
• Làm điểm dừng của một chương trình.
• Báo tràn số liệu trong tính toán số học.
• Trang bộ nhớ thực sự không có trong bộ nhớ.
• Báo vi phạm vùng cấm của bộ nhớ.
• Báo dùng một lệnh không có trong tập lệnh.
• Báo phần cứng máy tính bị hư.
• Báo điện bị cắt.

Dù rằng ngắt quãng không xảy ra thường xuyên nhưng bộ xử lý phải được thiết kế sao cho có thể lưu giữ trạng thái của nó trước khi nhảy đi phục vụ ngắt quãng. Sau khi thực hiện xong chương trình phục vụ ngắt, bộ xử lý phải khôi phục trạng thái của nó để có thể tiếp tục công việc.

Để đơn giản việc thiết kế, một vài bộ xử lý chỉ chấp nhận ngắt sau khi thực hiện xong lệnh đang chạy. Khi một ngắt xảy ra, bộ xử lý thi hành các bước sau đây:

• Thực hiện xong lệnh đang làm.
• Lưu trữ trạng thái hiện tại.
• Nhảy đến chương trình phục vụ ngắt
• Khi chương trình phục vụ chấm dứt, bộ xử lý khôi phục lại trạng thái cũ của nó và tiếp tục thực hiện chương trình mà nó đang thực hiện khi bị ngắt.

Trong các quá trình ngắt, ta phân biệt thành 2 loại: ngắt cứng và ngắt mềm.

2. Ngắt mềm vs Ngắt cứng

Ngắt mềm : là ngắt được gọi bằng một lệnh trong chương trình ngôn ngữ máy. Ngắt mềm được
thục hiện trên hợp ngữ thông qua lệnh INT. Đối với các ngôn ngữ bậc cao hơn, vẫn cho
phép thực hiện gọi ngắt nhưng phải được biên dịch thành lệnh INT trong hợp ngữ rồi mời
thực hiện.

Ngắt cứng :khác với ngắt mềm, ngắt cứng không được khởi động bên trong máy tính mà do các
linh kiện điện tử tác đông lên hệ thống. Ngắt cứng cũng được chia thành 2 loại: ngắt che
được và ngắt không che được. Ngắt che được là ngắt có thể cho phép hay không cho phép
thực thi bằng phần mềm thông qua cờ ngắt IF (Interrupt Flag): lệnh CLI (Clear Interrupt
Flag) sẽ cấm ngắt và lệnh STI (Set Interrupt Flag) sẽ cho phép các ngắt này hoạt động.
Khi thực hiện lệnh gọi một ngắt nào đó, chương trình con phục vụ cho ngắt sẽ được
gọi. Để thực hiện các ngắt tương ứng, địa chỉ thực hiện các chương trình con phục vụ ngắt
được đặt trong một bảng, gọi là bảng vector ngắt.

Bảng vector ngắt gồm có 256 phần tử, mỗi phần tử gồm 4 byte ứng với 256 ngắt (từ
ngắt 0 đến ngắt 0FFh). Mỗi phần tử trong bảng vector ngắt chứa 2 địa chỉ: địa chỉ thanh ghi
đoạn đưa vào CS và địa chỉ offset của chương trình phục vụ ngắt đưa vào IP. Khi có một quá trình ngắt xảy ra, CPU sẽ tìm địa chỉ bắt đầu của chương trình ngắt
được chứa trong bảng vector ngắt theo số thự tự ngắt. Do một phần tử trong bảng vector
ngắt chiếm 4 byte nên để tìm giá trị địa chỉ trong bảng vector ngắt, ta chỉ cần nhân số thứ tự
ngắt với 4.

3. Gọi ngắt và chặn ngắt
Quá trình gọi ngắt từ hợp ngữ đơn giản là thực hiện lệnh INT STT_ngắt sau khi nạp
các tham số cần thiết cho ngắt. Khi thực hiện lệnh gọi ngắt, CPU sẽ tìm kiếm trong bảng
vector ngắt địa chỉ của chương trình phục vụ ngắt. Người sử dụng cũng có thể xây dựng môt
chương trình cơ sở như các chương trình xử lý ngắt. Sau đó, các chương trình khác có thể
gọi ngắt ra để sử dụng. Một chương trình có thể gọi chương trình con loại này mà không cần
biết địa chỉ của nó.
Như vậy, nếu muốn thay đổi ngắt, ta có thể thay đổi nội dung trong bảng vector ngắt
để chỉ đến chương trình phục vụ do người sử dụng tự xây dựng và chương trình này sẽ được
thực hiện khi ngắt được gọi. Để làm điều này, ta chỉ cần tìm vị trí của vector ngắt tương ứng
trong bảng và thay đổi giá trị của nó. Điều này thực hiện được do bảng vector ngắt đặt trong
RAM và được nạp mỗi khi khởi động hệ thống.