Обробка переривань

Перемикання контексту й обробка переривань

3.5.1. Організація перемикання контексту

Найважливішим завданням операційної системи під час керування процесами і потоками є організація перемикання контексту – передачі керування від одного потоку до іншого зі збереженням стану процесора.

Загальних принципів перемикання контексту дотримуються у більшості систем, але їхня реалізація обумовлена конкретною архітектурою. Звичайно потрібно виконати такі операції:

· зберегти стан процесора потоку в деякій ділянці пам'яті (області зберігання стану процесора потоку);

· визначити, який потік слід виконувати наступним;

· завантажити стан процесора цього потоку із його області зберігання;

· продовжити виконання коду нового потоку.

Перемикання контексту звичайно здійснюється із залученням засобів апаратної підтримки. Можуть бути використані спеціальні регістри та ділянки пам'яті, які дають можливість зберігати інформацію про поточну задачу (коли розглядають апаратне забезпечення, аналогом поняття «потік» є поняття «задача»), а також спеціальні інструкції процесора для роботи з цими регістрами та ділянками пам'яті.

Розглянемо апаратну підтримку перемикання задач в архітектурі ІА-32. Для збереження стану процесора кожної задачі (вмісту пов'язаних із нею регістрів процесора) використовують спеціальну ділянку пам'яті – сегмент стану задачі ТSS. Адресу цієї області можна одержати з регістра задачі ТR. (це системний адресний регістр).

Для перемикання задач досить завантажити нові дані в регістр ТR. У результаті значення регістрів процесора поточної задачі автоматично збережуться в її сегменті стану, після чого в регістри процесора буде завантажено стан процесора нової (або раніше перерваної) задачі й почнеться виконання її інструкцій.

Наступний потік для виконання вибирають відповідно до принципів планування потоків, які ми розглянемо в розділі 4.

У процесі виконання потік може бути перерваний не лише для перемикання контексту на інший потік, але й у зв'язку із програмним або апаратним перериванням (перемикання контексту теж пов'язане із перериваннями, власне, із перериванням від таймера). Із кожним перериванням надходить додаткова інформація (наприклад, його номер). На підставі цієї інформації система визначає, де буде розміщена адреса процедури оброблювача переривання (список таких адрес зберігають у спеціальній ділянці пам'яті і називають вектором переривань).

Наведемо приклад послідовності дій під час обробки переривання:

· збереження стану процесора потоку;

· встановлення стека оброблювача переривання;

· початок виконання оброблювача переривання (коду операційної системи); для цього з вектора переривання завантажується нове значення лічильника команд;

· відновлення стану процесора потоку після закінчення виконання оброблювача і продовження виконання потоку.

Передача керування оброблювачеві переривання, як і перемикання контексту, може відбутися практично у будь-який момент. Основна відмінність полягає в тому, що адресу, на яку передається керування, задають на основі номера переривання і зберігають у векторі переривань, а також у тому, що код оброблювача не продовжується з місця, де було перерване виконання, а починає виконуватися щораз заново.

Докладніше реалізацію обробки переривань буде розглянуто в розділі 15.

Розділ 4

Планування процесів і потоків

4.1. Загальні принципи планування

4.1.1. Особливості виконання потоків

З погляду планування виконання потоку можна зобразити як цикл чергування періодів обчислень (використання процесора) і періодів очікування введення-виведення. Інтервал часу, упродовж якого потік виконує тільки інструкції процесора, називають інтервалом використання процесора (CPU burst), інтервал часу, коли потік очікує введення-виведення, - інтервалом введення-виведення (I/O burst). Найчастіше ці інтервали мають довжину від 2 до 8 мс.

Потоки, які більше часу витрачають на обчислення і менше – на введення-виведення, називають обмеженими можливостями процесора (CPU bound). Вони активно використовують процесор. Основною їхньою характеристикою є час, витрачений на обчислення, інтервали використання процесора для них довші. Потоки, які більшу частину часу перебувають в очікуванні введення-виведення, називають обмеженими можливостями введення-виведення (I/O bound). Такі потоки завантажують процесор значно менше, а середня довжина інтервалу використання процесора для них невелика. Що вища тактова частота процесора, то більше потоків можна віднести до другої категорії.

4.1.2. Механізми і політика планування

Слід розрізняти механізми і політику планування. До механізмів планування належать засоби перемикання контексту, засоби синхронізації потоків тощо, до політики планування – засоби визначення моменту часу, коли необхідно перемкнути контекст. Ту частину системи, яка відповідає за політику планування, називають планувальником (scheduler), а алгоритм, що використовують при цьому, - алгоритмом планування (scheduling algorithm).

Є різні критерії оцінки політики планування, одні з них застосовані для всіх систем, інші – лише для пакетних систем або лише для інтерактивних.

Сьогодні найчастіше використовують три критерії оцінки досягнення мети

· Мінімальний час відгуку. Це найважливіший критерій для інтерактивних систем. Під часом відгуку розуміють час між запуском потоку (або введенням користувачем інтерактивної команди) і отриманням першої відповіді. Для сучасних систем прийнятним часом відгуку вважають 50-150 мс.

· Максимальна пропускна здатність. Це кількість задач, які система може виконувати за одиницю часу (наприклад, за секунду). Такий критерій доцільно застосовувати у пакетних системах; в інтерактивних системах він може бути використаний для фонових задач. Щоб підвищити пропускну здатність, необхідно:

- скорочувати час даремного навантаження (наприклад, час, необхідний для перемикання контексту);

- ефективніше використати ресурси (для того, щоб ані процесор, ані пристрої введення-виведення не простоювали).

· Третім критерієм є справедливість, яка полягає в тому, що процесорний час потокам виділяють відповідно до їхньої важливості. Справедливість забезпечує такий розподіл процесорного часу, що всі потоки просуваються у своєму виконанні, і жоден не простоює. Відзначимо, що реалізація справедливої політики планування не завжди призводить до зменшення середнього часу відгуку. Іноді для цього потрібно зробити систему менш справедливою.

4.1.3. Застосовність принципів планування

Принципи планування потоків застосовні насамперед до багато потокових систем із реалізацією схеми 1:1 (тут плануються винятково потоки ядра), а також до систем з реалізацією моделі процесів. В останньому випадку замість терміна «потік» можна вживати термін «процес», а інформацію, необхідну для планування використовують у багатопотокових системах, для яких кількість потоків користувача не збігається з кількістю потоків ядра (схеми 1:М і М:N). Для них потрібні два планувальники: один для роботи на рівні ядра, інший – у режимі користувача.

Дата добавления: 2014-01-05