Обработка прерываний

Прерывание вызывает ряд событий, которые происходят как в аппаратном, так и в программном обеспечении.

Рис.1.1

После завершения работы устройства ввода-вывода происходит следующее:

­ Устройство посылает процессору сигнал прерывания.

­ Перед тем как ответить на прерывание, процессор должен завершить исполнение текущей команды (Рис. 1.1).

­ Процессор производит проверку наличия прерывания, обнаруживает его и посылает устройству, приславшему это прерывание, уведомляющий сигнал об успешном приеме. Этот сигнал позволяет устройству снять свой сигнал прерывания.

­ Теперь процессору нужно подготовиться к передаче управления обработчику прерываний. Сначала необходимо сохранить всю важную информацию, чтобы в дальнейшем можно было вернуться к тому месту текущей программы, где она была приостановлена. Минимальная требуемая информация - это слово состояния программы и адрес очередной выполняемой команды, который находится в программном счетчике. Эти данные заносятся в системный управляющий стек.

­ Далее в программный счетчик процессора загружается адрес входа программы обработки прерываний, которая отвечает за обработку данного прерывания. В зависимости от архитектуры компьютера и устройства операционной системы может существовать как одна программа для обработки всех прерываний, так может быть и своя программа обработки для каждого устройства и каждого типа прерываний. Если для обработки прерываний имеется несколько программ, то процессор должен определить, к какой из них следует обратиться. Эта информация может содержаться в первоначальном сигнале прерывания; в противном случае для получения необходимой информации процессор должен по очереди опросить все устройства, чтобы определить, какое на них отправило прерывание.

Как только в программный счетчик загружается новое значение, процессор переходит к следующему циклу команды, приступая к ее извлечению из памяти. Так как команда извлекается из ячейки, номер которой задается содержимым программного счетчика, управление переходит к программе обработки прерываний. Исполнение этой программы влечет за собой следующие операции:

­ Содержимое программного счетчика и слово состояния прерываемой программы уже хранятся в системном стеке. Однако это еще не вся информация, имеющая отношение к состоянию исполняемой программы. Например, нужно сохранить содержимое регистров процессора, так как эти регистры могут понадобиться обработчику прерываний. Поэтому необходимо сохранить всю информацию о состоянии программы.

­ Теперь обработчик прерываний может начать свою работу. В процесс обработки прерывания входит проверка информации состояния, имеющая отношение к операциям ввода-вывода или другим событиям, вызвавшим прерывание. Сюда может также входить пересылка устройствам ввода-вывода дополнительных инструкций или уведомляющих сообщений.

­ После завершения обработки прерываний из стека извлекаются сохраненные ранее значения, которые вновь заносятся в регистры, возобновляя, таким образом, то состояние, в котором они пребывали до прерывания.

­ Последний этап - восстановление из стека слова состояния программы и содержимого программного счетчика. В результате, следующей будет выполняться команда прерванной программы.

Из-за того, что прерывание не является подпрограммой, вызываемой из программы, для полного восстановления важно сохранить всю информацию состояния прерываемой программы. Однако прерывание может произойти в любой момент и в любом месте программы пользователя. Это событие непредсказуемо.

Множественные прерывания

До сих пор нами рассматривался случай возникновения одного прерывания. Представим себе ситуацию, когда может произойти несколько прерываний. Например, программа получает данные по коммуникационной линии и сразу же распечатывает результат. Принтер будет генерировать прерывание при каждом завершении операции печати, а контроллер коммуникационной линии - при каждом поступлении новой порции данных. Эта порция может состоять из одного символа или из целого блока, в зависимости от установленного порядка обслуживания. В любом случае возможна ситуация, когда коммуникационное прерывание произойдет во время обработки прерывания принтера.

В такой ситуации возможны два подхода. Первый - это запретить новые прерывания до тех пор, пока обрабатывается предыдущее. Запрет прерываний означает, что процессор может и должен игнорировать любой новый сигнал прерывания. Если в это время происходит прерывание, оно обычно остается в состоянии ожидания, и до него дойдет очередь, когда процессору вновь будет можно обрабатывать прерывания. Таким образом, если во время работы программы пользователя происходит прерывание, на другие прерывания тут же накладывается запрет. После завершения работы программы обработки прерывания запрет снимается, перед возвратом к исполнению прерванной программы процессор проверяет наличие других прерываний. Это удачный и простой подход, при котором прерывания обрабатываются в строго последовательном порядке. Однако недостатком такого подхода является то, что он не учитывает приоритет прерываний и те ситуации, в которых время является критическим параметром. Например, когда по коммуникационной линии приходит какая-то информация, может понадобиться быстро ее принять, чтобы освободить место для других входных данных. Если не обработать первый пакет входных данных перед получением второго пакета, данные могут потеряться вследствие загруженности и переполнения буфера устройства ввода-вывода.

При втором подходе учитывается приоритет прерывания, что позволяет приостановить обработку прерывания с более низким приоритетом в пользу прерывания с более высоким приоритетом.

Исключительные ситуации

Исключительная ситуация (exception) — событие, возникающее в ре­зультате попытки выполнения программой команды, которая по каким- то причинам не может быть выполнена до конца. Примерами таких ко­манд могут быть попытки доступа к ресурсу при отсутствии достаточных привилегий или обращения к отсутствующей странице памяти. Исклю­чительные ситуации, как и системные вызовы, являются синхронными событиями, возникающими в контексте текущей задачи. Исключитель­ные ситуации можно разделить на исправимые и неисправимые. К испра­вимым ситуациям относятся такие исключительные ситуации, как отсутствие нуж­ной информации в оперативной памяти. После устранения причины ис­правимой исключительной ситуации программа может выполняться дальше. Возникновение в процессе работы операционной системы ис­правимых исключительных ситуаций считается нормальным явлением. Неисправимые исключительные ситуации чаще всего возникают в ре­зультате ошибок в программах (например, деление на ноль). Обычно в та­ких случаях операционная система реагирует завершением программы, вызвавшей исключительную ситуацию.

Файлы

Файлы предназначены для хранения информации на внешних носи­телях, то есть принято, что информация, записанная, например, на дис­ке, должна находиться внутри файла. Обычно под файлом понимают именованную часть пространства на носителе информации. Главная задача файловой системы (file system) — скрыть особенно­сти ввода-вывода и дать программисту простую абстрактную модель файлов, независимых от устройств. Для чтения, создания, удаления, за­писи, открытия и закрытия файлов также имеется обширная категория системных вызовов (создание, удаление, открытие, закрытие, чтение и т. д.). Пользователям хорошо знакомы такие связанные с организацией файловой системы понятия, как каталог, текущий каталог, корневой каталог, путь. Для манипулирования этими объектами в операционной системе имеются системные/вызовы.

Одна из наиболее фундаментальных концепций - концепция процесса в ОС.

Более подробно файловые системы ОС и процессы рассмотрим несколько позже.

Дата добавления: 2014-01-11