Что может быть причиной появления внутреннего прерывания информатика

Внешние, внутренние и программные прерывания

2. Внешние, внутренние и программные прерывания.

Прерывания возникающие при работе выч. системы можно разделить на внешние и внутренние. Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происходят вне прерываемого процесса. Пример – прерывание от таймера, прерывание от внешних устройств, прерывание по вводу/выводу, прерывание по нарушению питания, прерывание с пульта оператора, прерывание от другого процессора или другой ОС.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями. Например: при нарушении адресации (когда указан запрещенный или несуществующий адрес) либо обращение к отсутствующему сегменту или странице при организации виртуальной памяти; при наличии в поле кода операции незадействованной 2ичной комбинации; при делении на 0; при переполнении или исчезновения порядка; при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерывания т. е. по этой команде процессор осуществляет те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход на подпрограмму, а точно таким же образом как и в обычных прерываниях. Этим обеспечивается автоматическое переключения процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд. Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре, при этом возникать они могут одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритета, приписанных к каждому типу прерывания. Учет приоритета прерывания может быть встроен в технические средства, а также определяться ОС.

Распределение прерываний по уровням приоритета:

3. Изобразить диаграмму состояния процесса. Пояснить все возможные переходы из одного состояния в другое.

За время своего существования процесс может осуществить переход из одного состояния в другое. Это обусловлено обращениями к ОС с запросами ресурсов и выполнением системных функций, которые предоставляют ОС взаимодействие с другими процессами, появлением сигналов прерывания от таймера и устройств ввода/вывода. Процесс из состояния бездействия может перейти в состояние готовности в следующем случае:

1 По команде оператора или пользователя, ОС где программа может иметь статус задачи и при этом являться пассивной, а не просто быть исполняемой файлами и только на время исполнения получать статус задачи это характерно для большинства современных ОС.

2 При выборе из очереди на выполнение процесс может перейти от бездействия к готовности. Это характерно для ОС работающих в постоянном режиме.

3 По вызову из другой задачи. По вызову супервизора один процесс может создать, инициировать, приостановить, остановить и уничтожить любой процесс. От прерывания от внешнего устройства. устройства называют инициатором, если по сигналу на прерывание от него должна запустится акая-то задача.

Переход в готовность при поступлении запланированного запроса программы. процесс, который может исполняться или только ему будет предоставлен процессор находится в состоянии готовности. Уже выделены все необходимые ресурсы за исключением процессора.

Из состояния выполнения процесс может выйти по одной из следующих причин:

1 Процесс завершается, при этом он посредством обращения к супервизору передает управление ОС и сообщает ей о своем завершении. В результате их действий супервизор либо переводит его в список бездействующих процессов либо уничтожает. В состояние бездействия процесс может быть переведен принудительно по команде оператора. Действие этой команды реализуется системными процессами. которые транслируют запрос супервизору с требованием перевести соотв. процесс в состояние бездействия.

Из состояния выполнения процесс переводится в состояние готовности к выполнению в связи с появлением более приоритетной задачи или в связи с окончанием выделенного этому процессу кванта времени. Либо вследствие запроса операции ввода/вывода, который должен быть выполнен прежде чем процесс может продолжить исполнение либо в силу невозможности предоставить ему ресурс запрошенный в настоящий момент. При поступлении соответствующего сигнала о завершении операции ввода/вывода, освобождающем требуемый ресурс, в оперативную память загружается необходимая страница виртуальной памяти. Процесс деблокируется и переводится из состояния готовности к исполнению. Итак, движущей силой, меняющей состояния процессов, является механизм прерываний.

Источник

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.

Источник

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

Прерывание (Операционные Системы)

Каждое прерывание имеет свой собственный обработчик прерываний. Количество аппаратных прерываний ограничено числом строк запроса прерывания (IRQ) для процессора, но могут быть сотни различных программных прерываний. Прерывания — это широко используемая техника многозадачности компьютеров, в первую очередь в реальном времени. Такая система называется управляемой прерываниями.

Содержание

История

Первое фактическое использование прерываний приписывают компьютеру UNIVAC 1103 в 1953 году. [2] На IBM 650 (1954) было применено впервые прерывание путём маскировки. Национальное бюро стандартов DYSEAC (1954) первым использовало прерывания для ввода / вывода. IBM 704 был первым компьютером, использующим прерывания для отладки с «передаточной ловушкой», которая может ссылаться на специальную процедуру, когда команда ветвления была имеет столкновение. Система TX-2 (1957) была первой, обеспечивающей несколько уровней приоритетных прерываний. [3]

Типы прерываний

Прерывания могут быть разделены на следующие типы:

Процессоры обычно имеют внутреннюю маску прерываний, которая позволяет программному обеспечению игнорировать все внешние аппаратные прерывания, пока она установлена. Установка или очистка этой маски может быть быстрее, чем доступ к регистру маски прерываний (IMR) в PIC или отключение прерываний в самом устройстве. В некоторых случаях, например в случае архитектуры x86, отключение и включение прерываний на самом процессоре действует как барьер памяти.

Прерывание, которое оставляет машину в четко определенном состоянии, называется точным прерыванием. Такое прерывание имеет четыре свойства:

Прерывание, которое не соответствует указанным выше требованиям, называется неточным прерыванием.

Аппаратные прерывания

Аппаратные прерывания используются устройствами для передачи информации о том, что они требуют внимания со стороны операционной системы. [4] Внутренние аппаратные прерывания реализуются с использованием электронных сигналов оповещения, которые отправляются процессору от внешнего устройства, которое является частью самого компьютера, например контроллер диска, или внешнее периферийное устройство. К слову, нажатие клавиши на клавиатуре или перемещение мыши вызывают аппаратные прерывания, которые заставляют процессор считывать нажатие клавиши или положение мыши. В отличие от типа программного обеспечения, аппаратные прерывания являются асинхронными и могут произойти в середине выполнения инструкции, что требует дополнительного внимания при программировании. Акт инициирования аппаратного прерывания называется запросом прерывания (IRQ). [1]

Программные прерывания

Программное прерывание вызвано либо исключительным состоянием в самом процессоре, либо специальной инструкцией в наборе команд, которая вызывает прерывание, когда инструкция выполняется (см. рисунок 1). Первую часто называют ловушкой или исключением и используют для ошибок или событий, происходящих во время выполнения программы, которые настолько исключительны, что не могут быть обработаны в самой программе. Например, исключение деления на ноль будет выдано, если арифметическо-логическому блоку процессора приказано будет делить число на ноль, поскольку эта инструкция является ошибкой и невозможной. Операционная система поймает это исключение и сможет решить, что с этим делать: как правило, прерывать процесс и отображать соответствующее сообщение об ошибке. Инструкции программного прерывания могут функционировать аналогично вызовам подпрограмм и используются для различных целей, таких как запрос служб от драйверов устройств, например прерывания, отправляемые на контроллер диска и с контролера диска для запроса чтения или записи данных на диск и с диска. [1]

Сложность с разделением линий прерывания

Несколько устройств, совместно использующих линию прерывания (любого стиля запуска), действуют как источники паразитных прерываний по отношению друг к другу. При наличии множества устройств в одной линии рабочая нагрузка при обслуживании прерываний увеличивается пропорционально квадрату количества устройств. Поэтому предпочтительно распределять устройства равномерно по доступным линиям прерывания. Нехватка линий прерывания является проблемой в старых конструкциях системы, где линии прерывания являются различными физическими проводниками. Прерывания с сигналом сообщения, где линия прерывания является виртуальной, предпочтительны в новых системных архитектурах (таких как PCI Express) и в значительной степени решают эту проблему.

Проблемы с производительностью

С многоядерными процессорами, дополнительные улучшения производительности в обработке прерываний могут быть достигнуты с помощью масштабирования на стороне приема (RSS), когда используются сетевые адаптеры с несколькими очередями. Такие NIC предоставляют несколько очередей приема, связанных с отдельными прерываниями; путем маршрутизации каждого из этих прерываний на разные ядра обработка запросов на прерывание, запускаемых сетевым трафиком, полученным одним NIC, может быть распределена между несколькими ядрами. Распределение прерываний между ядрами может выполняться операционной системой автоматически, либо маршрутизация прерываний (обычно называемая привязкой IRQ) может быть настроена вручную.

Чисто программная реализация распределения принимаемого трафика, известная как управление приемными пакетами (RPS), распределяет принятый трафик между ядрами позже в тракте данных как часть функциональности обработчика прерываний. Преимущества RPS по RSS не включают требований к конкретному оборудованию, более продвинутым фильтрам распределения трафика и уменьшенной частоте прерываний, создаваемых NIC. Как недостаток, RPS увеличивает частоту межпроцессорных прерываний (IPI). Управление потоком приема (RFS) расширяет программный подход, учитывая локальность приложений; Дальнейшее улучшение производительности достигается за счет обработки запросов на прерывание теми же ядрами, на которых конкретные сетевые пакеты будут использоваться целевым приложением. [1]

Типичное использование

Типичное использование прерываний включает в себя следующее: системные таймеры, дисковый ввод / вывод, сигналы-выключение и ловушки. Существуют прерывания для передачи байтов данных с использованием UART или Ethernet; для чувствительных нажатий клавиш, управления двигателями и т.д.

Другое типичное использование состоит в том, чтобы генерировать периодические прерывания путем деления выходного сигнала кварцевого генератора и с помощью обработчика прерываний подсчитывать прерывания, чтобы процессор мог сохранять время. Эти периодические прерывания часто используются планировщиком задач ОС для перепланирования приоритетов запущенных процессов. Некоторые старые компьютеры генерировали периодические прерывания от частоты линии электропередачи, потому что она контролировалась коммунальными службами, чтобы исключить длительный дрейф электрических часов.

Прерывания используются для эмуляции инструкций, которые не реализованы на определенных моделях в компьютерной линии. Например, инструкции с плавающей запятой могут быть реализованы в аппаратных средствах в некоторых системах и эмулироваться в более дешевых системах. Выполнение невыполненной инструкции вызовет прерывание. Обработчик прерываний операционной системы распознает возникновение невыполненной инструкции, интерпретирует инструкцию в программной подпрограмме и затем вернется к программе прерывания, как если бы инструкция была выполнена. Это обеспечивает переносимость прикладного программного обеспечения по всей линии. [1]

Источник

Прерывания и особые случаи

Прерывания и особые случаи

Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.

Классификация прерываний представлена на рис. 7.1.

Запросы аппаратных прерываний возникают асинхронно по отношению к работе микропроцессора и связаны с работой внешних устройств.

Запрос от немаскируемых прерываний поступает на вход NMI микропроцессора и не может быть программно заблокирован. Обычно этот вход используется для запросов прерываний от схем контроля питания или неустранимых ошибок ввода/вывода.

Для запросов маскируемых прерываний используется вход INT микропроцессора. Обработка запроса прерывания по данному входу может быть заблокирована сбросом бита IF в регистре флагов микропроцессора.

Программные прерывания делятся на следующие типы.

Порядок обработки прерываний

Прерывания и особые случаи распознаются на границах команд, и программист может не заботиться о состоянии внутренних рабочих регистров и устройств конвейера.

Обработка запросов прерываний состоит из:

Для того чтобы микропроцессор мог идентифицировать источник прерывания и найти обработчик, соответствующий полученному запросу, каждому запросу прерывания присвоен свой номер ( тип прерывания ).

Всего микропроцессор различает 256 типов прерываний. Таким образом, все они могут быть закодированы в 1 байте.

«Рефлекторные» действия микропроцессора по обработке запроса прерывания выполняются аппаратными средствами МП и включают в себя:

В IDT могут храниться только дескрипторы следующих типов:

Шлюзы ловушки и прерывания сходны со шлюзом вызова, только в них отсутствует поле счетчика WC (рис. 7.4). Так как прерывание является неожиданным событием и не связано с текущей программой, говорить о передаче параметров их обработчику не приходится.

Бит присутствия P может быть равен как 0, так и 1.

При входе в обработчик через шлюз ловушки флаг IF не меняется.

Источник

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…

Источник