что такое прерывание в информатике
Что такое прерывание в информатике
Система прерываний 32-разрядных микропроцессоров i 80 x 86.
Работа системы прерываний в реальном режиме
1. Понятие прерывания
2. Классификация прерываний
3. Система прерываний.
· Программные средства системы прерываний
· Таблица векторов прерываний
4. Обработка прерывания в реальном режиме
Прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы.
Т.е. это процесс, временно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с последующим возвратом к прерванной программе.
Нажимая клавишу на клавиатуре, мы инициируем немедленный вызов программы, которая распознает клавишу, заносит ее код в буфер клавиатуры, из которого он считывается другой программой. Т.е. на некоторое время микропроцессор прерывает выполнение текущей программы и переключается на программу обработки прерывания, так наз. обработчик прерывания. После того, как обработчик прерывания завершит свою работу, прерванная программа продолжит выполнение с точки, где было приостановлено ее выполнение.
Адрес программы-обработчика прерывания вычисляется по таблице векторов прерываний.
Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне.
В зависимости от источника, прерывания делятся на
Общая классификация прерываний
Внешние прерывания возникают по сигналу какого-нибудь внешнего устройства.
Внешние прерывания подразделяются на немаскируемые и маскируемые.
Маскируемые прерывания генерируются контроллером прерываний по заявке определенных периферийных устройств. Контроллер прерываний (выполнен в виде специальной микросхемы i8259A) поддерживает восемь уровней (линий) приоритета; к каждому уровню “привязано” одно периферийное устройство. Именно маскируемые прерывания часто называют аппаратными прерываниями.
В ПК, начиная с IBM PC AT, построенных на базе микропроцессора i80286, используются два контроллера прерываний i8259A; они соединяются последовательно каскадным образом, что увеличивает количество внешних источников прерываний до 15 (каждая по 8).
Немаскируемые прерывания (говорят, что оно одно, т.к. подается на вывод микропроцессора NMI ) инициируют источники, требующие безотлагательного вмешательства со стороны микропроцессора.
В реальном и защищенном режиме работы микропроцессора обработка прерываний осуществляется принципиально разными методами.
Система прерываний. Аппаратные и программные средства системы прерываний
К аппаратным средствам системы прерываний относятся:
· программируемый контроллер прерываний 8259А (предназначен для фиксирования сигналов прерываний от восьми различных внешних устройств; он выполнен в виде микросхемы; обычно используют две последовательно соединенные микросхемы, поэтому кол-во возможных источников внешних прерываний до 15 плюс одно немаскируемое прер.; именно он формирует номер вектора прерывания и выдает его шину данных);
· внешние устройства (таймер, клавиатура, магнитные диски и т.п.)
К программным средствам системы прерываний Реального режима относятся:
Таблица векторов прерываний инициализируется при запуске системы, но в принципе может быть изменена и перемещена.
Каждый вектор имеет свой номер и называется номером прерывания.
· два флага в регистре флагов flags/eflags :
Обработка прерывания в реальном режиме
производится в три этапа:
1) прекращение выполнения текущей программы;
Должно произойти так, чтобы потом вернуться и продолжить работу. Для этого необходимо сохранить содержимое регистров, так как они являются ресурсами, разделяемыми между программами.
Наиболее удобным местом хранения регистров является стек.
2) переход к выполнению и выполнение программы обработки прерывания;
Здесь определяется источник прерывания и вызывается соответствующий обработчик прерывания.
смещение эл-та таблицы векторов прерываний = N * 4
Итак на втором этапе микропроцессор
1. По номеру источника прерывания определяет смещение в таблице векторов прерываний
2. Помещает первые два байта в регистр IP
3. Помещает вторые два байта в регистр CS
4. Передыет управление по адресу CS:IP
Далее выполняется сама программа обработки прерывания.
(Она тоже может быть прервана поступлением запроса от более приоритетного источника. Все источники прерывания имеют приоритеты.)
3) возврат управления прерванной программе.
Прерывание
Прерывание (англ. interrupt ) — сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается и управление передаётся обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его, после чего возвращает управление в прерванный код. [1]
В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:
Термин «ловушка» (англ. trap ) иногда используется как синоним термина «прерывание» или «внутреннее прерывание». Как правило, словоупотребление устанавливается в документации производителя конкретной архитектуры процессора.
Содержание
Маскирование
В зависимости от возможности запрета внешние прерывания делятся на:
Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим, поскольку во время их работы могут не обрабатываться другие прерывания, а если их будет много (особенно от одного источника), то они могут теряться. В Windows для этого применяется механизм отложенного вызова процедур.
Приоритизация
Таблица прерываний
Вектор прерывания — закреплённый за устройством номер, который идентифицирует соответствующий обработчик прерываний. Векторы прерываний объединяются в таблицу векторов прерываний, содержащую адреса обработчиков прерываний. Местоположение таблицы зависит от типа и режима работы процессора.
Программное прерывание
Программное прерывание — синхронное прерывание, которое может осуществить программа с помощью специальной инструкции.
MS-DOS использует для взаимодействия со своими модулями и прикладными программами прерывания с номерами от 20h до 3Fh (числа даны в шестнадцатеричной системе счисления, как это принято при программировании на языке ассемблера x86). Например, доступ к основному множеству функций MS-DOS осуществляется исполнением инструкции Int 21h (при этом номер функции и её аргументы передаются в регистрах). Это распределение номеров прерываний не закреплено аппаратно и другие программы могут устанавливать свои обработчики прерываний вместо или поверх уже имеющихся обработчиков, установленных MS-DOS или другими программами, что, как правило, используется для изменения функциональности или расширения списка системных функций. Также, этой возможностью пользуются вирусы.
Что такое прерывание в информатике
Назначение: Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора.
Аппаратные прерывания используются для организации взаимодействия с внешними устройствами:
· маскируемые, которые могут быть замаскированы программными средствами компьютера;
· немаскируемые, запрос от которых таким образом замаскирован быть не может.
Программные прерывания вызываются следующими ситуациями:
· (переполнение, нарушение защиты памяти, отсутствие нужной страницы в оперативной памяти и т.п.);
· специальной команды прерывания INT n, используемой обычно программистом при обращениях к специальным функциям операционной системы для ввода-вывода информации.
1. определение наиболее приоритетного незамаскированного запроса на прерывание (если одновременно поступило несколько запросов);
2. определение типа выбранного запроса;
3. сохранение текущего состояния счетчика команд и регистра флагов;
4. определение адреса обработчика прерывания по типу прерывания и передача управления первой команде этого обработчика;
6. восстановление сохраненных значений счетчика команд и регистра флагов прерванной программы;
7. продолжение выполнения прерванной программы.
Прерывание и типы прерываний
Прерывание – это принудительная передача управления от выполняемого процесса к ОС с запоминанием состояния процесса, а от ОС – соответствующей программе обработки прерывания, происходящая при возникновении определенного события. По завершении обработки прерывания осуществляется возврат в прерванную программу.
В компьютерах фирмы IBM возможны следующие типы прерываний:
а) SVC-прерывания (по вызову супервизора). Эти прерывания инициируются работающим процессом, который выполняет команду SVC. Команда SVC – это генерируемый программой пользователя запрос на предоставление конкретной системной услуги (например, на выполнение операции ввода-вывода, увеличение размера выделенной памяти или взаимодействие с оператором). Механизм SVC помогает защитить ОС от пользователей. Пользователю не разрешается произвольно входить в ОС – он должен запросить требуемую ему услугу при помощи команды SVC. ОС всегда знает обо всех попытках пользователя пересечь ее границы и может отказаться от выполнения определенных запросов на выполнение привилегированных команд (например, переключение режима центрального процессора), если данный пользователь не имеет полномочий
б) внешние (асинхронные) прерывания. Вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса:
— прерывания от таймера;
— прерывания от внешних устройств;
— прерывания по нарушению питания;
— прерывания с пульта оператора;
— прерывания от другого процессора или другой ЭВМ и др.
в) внутренние (синхронные) прерывания. Вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями:
— при нарушении адресации (например, неверный адрес команды или страницы виртуальной памяти);
— при попытке выполнить операцию с неправильным кодом;
— при делении на нуль;
— при переполнении или исчезновении порядка и др.
г) программные прерывания. Вызываются ошибками, обнаруженными в выполняющемся процессе. Процессор выполняет те же действия, что и при внутренних прерываниях с аналогичными событиями.
Для корректного переключения процессора с одного процесса на другой в случае возникновения прерывания необходимо сохранить контекст исполнявшегося процесса и восстановить контекст процесса, на который будет переключен процессор. Такая процедура сохранения/восстановления работоспособности процессов называется переключением контекста. Время, затраченное на переключение контекста, не используется КС для совершения полезной работы и представляет собой накладные расходы, снижающие производительность системы. Оно меняется от машины к машине и обычно находится в диапазоне от 1 до 1000 микросекунд. Существенно сократить накладные расходы в современных операционных системах позволяет расширенная модель процессов, включающая в себя понятие потока исполнения (threads of execution).
Поскольку может поступить сразу несколько сигналов прерываний, то для их обработки используются следующие дисциплины обслуживания:
а) с относительными приоритетами – обслуживание не прерывается при наличии запросов с более высокими приоритетами;
б) с абсолютными приоритетами – обслуживание не прерывается при наличии запросов с более высокими приоритетами;
в) LCFS (Last come first served – «последним пришел – первым обслужен»).
При реализации переключения контекста в компьютерах фирмы IBM используются слова состояния программы (PSW), которые управляют порядком выполнения команд и содержат различную информацию относительно состояния процесса. Существуют три типа слов состояния программы – текущее PSW, новое PSW и старое PSW. Адрес следующей команды, подлежащей выполнению, содержится в текущем PSW, в котором указываются также типы прерываний, разрешенных и запрещенных в данный момент. Центральный процессор реагирует только на разрешенные прерывания, а обработка запрещенных прерываний задерживается или игнорируется.
В однопроцессорной машине имеется одно текущее PSW, набор новых PSW (по одному на каждый тип прерываний) и набор старых PSW (по одному на каждый тип прерываний). Новое PSW для данного типа прерывания содержит адрес, по которому размещается обработчик прерываний этого типа.
Когда происходит прерывание, не запрещенное для обработки, производится автоматическое переключение слов состояния следующим образом:
1) Текущее PSW становится старым PSW для прерывания этого типа
2) Новое PSW для прерывания этого типа становится текущим
После такого замещения текущее PSW содержит адрес соответствующего обработчика прерываний, который начинает обрабатывать данное прерывание.
Когда обработка завершается, процессор начнет обслуживать прерванный процесс (если процесс не допускает перехват процессора) либо готовый процесс с наивысшим приоритетом (если процесс допускает перехват процессора).
Рассмотрим, как может происходить операция разблокирования процесса, ожидающего ввода-вывода (см. рис.5.5). При исполнении процессором некоторого процесса (на рис.5.5 — процесс 1) возникает прерывание от устройства ввода-вывода, сигнализирующее об окончании операций на устройстве. Над выполняющимся процессом производится операция приостановка. Далее, операционная система разблокирует процесс, инициировавший запрос на ввод-вывод (на рис.5.5 — процесс 2), и осуществляет запуск приостановленного или нового процесса, выбранного при выполнении планирования (на рис.5.5 был выбран разблокированный процесс). В результате обработки информации об окончании операции ввода-вывода возможна смена процесса, находящегося в состоянии «исполнение».
Рисунок 5.5 — Выполнение операции разблокирования процесса
Ядро операционной системы
Все операции, связанные с процессами, выполняются под управлением той части ОС, которая называется ядром. Ядро обычно резидентно размещается в оперативной памяти, поскольку является наиболее интенсивно используемым компонентом ОС.
Одной из наиболее важных функций ядра является обработка прерываний. Ядро обычно осуществляет лишь минимально возможную предварительную обработку каждого прерывания, затем передавая его на дальнейшую обработку соответствующему системному процессу, поскольку в этот момент другие прерывания запрещены.
В состав ядра ОС входят следующие программные модули:
— средства управления системой прерываний.
— средства выполнения операций над процессами (например, создание и уничтожение процессов, изменение приоритета процесса) и средства по переводу процессов из одного состояния в другое (например, состояния выполнения, готовности, блокировки);
— поддержка операций ввода-вывода;
— поддержка работы файловой системы;
— поддержка распределения памяти и др.
1) Дайте определение процессу, ресурсам.
2) Приведите типы ресурсов.
3) Назовите пять основных состояний процессов, приведите диаграмму состояний.
4) Перечислите семь операций над процессами. Укажите, какие из них являются одноразовыми и многоразовыми.
5) Назовите информацию, которая содержится в блоке управления процессом.
6) Что такое контекст процесса, из каких частей он состоит.
7) Дайте определение прерыванию и назовите типы прерываний.
8) В чем заключается переключение контекста.
9) Какие дисциплины обслуживания используются при переключении контекста.
10) Опишите реализацию переключения контекста в компьютерах фирмы IBM.
11) Перечислите программные модули ядра.
1.Федоров Є.Є.- Курс лекцій «Комп’ютерні системи» — Донецьк: ДІАТ, 2008. – 57 с.
Статьи к прочтению:
Лекция 8: Прерывания
Похожие статьи:
Прерывания являются основной движущей силой любой операционной системы. Периодические прерывания от таймера вызывают смену процессов в мультипрограммной…
Маскируемые и немаскируемые внешние прерывания Существуют два специальных внешних сигнала среди входных сигналов процессора, при помощи которых можно…
Система прерываний
Архитектура и организация ЭВМ
Рассматриваются основные вопросы, связанные с организацией работы ЭВМ при обработке прерываний, а также особенности системы прерываний в персональной ЭВМ.
Организация обработки прерываний в ЭВМ
Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.
Любая особая ситуация, вызывающая прерывание, сопровождается сигналом, называемым запросом прерывания (ЗП). Запросы прерываний от внешних устройств поступают в процессор по специальным линиям, а запросы, возникающие в процессе выполнения программы, поступают непосредственно изнутри микропроцессора. Механизмы обработки прерываний обоих типов схожи. Рассмотрим функционирование компьютера при появлении сигнала запроса прерывания, опираясь в основном на обработку аппаратных прерываний (рис. 1).
Время реакции зависит от момента, когда процессор определяет факт наличия запроса прерывания. Опрос запросов прерываний может проводиться либо по окончании выполнения очередного этапа команды (например, считывание команды, считывание первого операнда и т.д.), либо после завершения каждой команды программы.
Первый подход обеспечивает более быструю реакцию, но при этом необходимо при переходе к обработчику прерывания сохранять большой объем информации о прерываемой программе, включающей состояние буферных регистров процессора, номера завершившегося этапа и т.д. При возврате из обработчика также необходимо выполнить большой объем работы по восстановлению состояния процессора.
Во втором случае время реакции может быть достаточно большим. Однако при переходе к обработчику прерывания требуется запоминание минимального контекста прерываемой программы (обычно это счетчик команд и регистр флагов). В настоящее время в компьютерах чаще используется распознавание запроса прерывания после завершения очередной команды.
Время реакции определяется для запроса с наивысшим приоритетом.
Рис. 2. Работа системы прерываний при различной глубине прерываний
Без учета времени реакции, а также времени запоминания и времени восстановления:
Прерывания делятся на аппаратные и программные [[4]]
Аппаратные прерывания используются для организации взаимодействия с внешними устройствами. Запросы аппаратных прерываний поступают на специальные входы микропроцессора. Они бывают:
Программные прерывания вызываются следующими ситуациями:
Каждому запросу прерывания в компьютере присваивается свой номер (тип прерывания), используемый для определения адреса обработчика прерывания.
При поступлении запроса прерывания компьютер выполняет следующую последовательность действий:
Этапы 1-4 выполняются аппаратными средствами ЭВМ автоматически при появлении запроса прерывания. Этап 6 также выполняется аппаратно по команде возврата из обработчика прерывания.
Распознавание наличия сигналов запроса прерывания и определение наиболее приоритетного из них может проводиться различными методами. Рассмотрим один из них.
Цепочечная однотактная система определения приоритета запроса прерывания
На рис. 3 приведена схема, обеспечивающая получение номера наиболее приоритетного запроса прерывания из присутствующих в компьютере на момент подачи сигнала опроса («дейзи-цепочка»)
Данная схема используется для анализа запросов аппаратных прерываний. Приоритет запросов прерываний (ЗПi) уменьшается с уменьшением номера запроса. В тот момент, когда компьютер должен определить наличие и приоритет внешнего аппаратного прерывания (обычно после окончания выполнения каждой команды), процессор выдает сигнал опроса. Если на входе ЗП3 присутствует сигнал высокого уровня (есть запрос), то на элементе 11 формируется общий сигнал наличия запроса прерывания и дальнейшее прохождение сигнала опроса блокируется. Если ЗП3=0, то анализируется сигнал ЗП2 и так далее. На шифраторе (элемент 12) формируется номер поступившего запроса прерывания.
Этот номер передается в процессор лишь при наличии общего сигнала запроса прерывания.
Рис. 3. Схема определения номера наиболее приоритетного запроса прерывания
Обработка прерываний в персональной ЭВМ
Микропроцессоры типа х86 имеют два входа запросов внешних аппаратных прерываний:
Единственный вход запроса маскируемых прерываний микропроцессора не позволяет подключить к нему напрямую сигналы запросов от большого числа различных внешних устройств, которые входят в состав современного компьютера: таймера, клавиатуры, «мыши», принтера, сетевой карты и т.д. Для их подключения к одному входу INT микропроцессора используется контроллер приоритетных прерываний (рис. 4).
Рис. 4. Структура контроллера приоритетных прерываний
Функции контроллера приоритетных прерываний:
Переход к соответствующему обработчику прерывания осуществляется (в реальном режиме работы микропроцессора) посредством таблицы векторов прерываний. Эта таблица (рис. 5) располагается в самых младших адресах оперативной памяти, имеет объем 1 Кбайт и содержит значения сегментного регистра команд (CS) и указателя команд (IP) для 256 обработчиков прерываний.
