Постановка проблемной ситуации (Если отключили электричество, то какого вида произойдет прерывание?)

Прерывания – механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через нее – к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

Идея прерываний была предложена в середине 50-х годов и можно без преувели­чения сказать, что она внесла наиболее весомый вклад в развитие вычислитель­ной техники.

Основная цель введения прерываний — реализация асинхронного режима работы и распараллеливание работы отдельных устройств вычислитель­ного комплекса.

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Струк­туры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность — прерывание не­пременно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной системы включает следующие элементы Механизма обработки прерываний:

1. Установление факта прерывания (прием сигнала на прерывание) и иденти­фикация прерывания (в операционных системах иногда осуществляется по­вторно, на шаге 4).

2. Запоминание состояния прерванного процесса. Состояние процесса определя­ется прежде всего значением счетчика команд (адресом следующей команды, который, например, в i80x86 определяется регистрами CS и IP — указателем команды), содержимым регистров процессора и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или при­вилегированный) и другую информацию.

3. Управление аппаратно передается подпрограмме обработки прерывания. В про­стейшем случае в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры — информация из сло­ва состояния. В более развитых процессорах, например в том же i80286 и по­следующих 32-битовых микропроцессорах, начиная с i80386, осуществляется достаточно сложная процедура определения начального адреса соответствую­щей подпрограммы обработки прерывания и не менее сложная процедура инициализации рабочих регистров процессора.

4. Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спа­сти на шаге 2 с помощью действий аппаратуры. В некоторых вычислитель­ных системах предусматривается запоминание довольно большого объема информации о состоянии прерванного процесса.

5. Обработка прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпро­граммой, которой было передано управление на шаге 3, но в ОС чаще всего она реализуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.

6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, обратный шагу 4).

7. Возврат в прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, а шаги 4-7 — программно.

На рис. 3 показано, что при возникновении запроса на прерывание естествен­ный ход вычислений нарушается и управление передается программе обработ­ки возникшего прерывания. При этом средствами аппаратуры сохраняется (как правило, с помощью механизмов стековой памяти) адрес той команды, с которой следует продолжить выполнение прерванной программы. После выполнения про­граммы обработки прерывания управление возвращается прерванной ранее про­грамме посредством занесения в указатель команд сохраненного адреса команды. Однако такая схема используется только в самых простых программных средах. В мультипрограммных операционных системах обработка прерываний происхо­дит по более сложным схемам.

Итак, главные функции механизма прерываний:

· распознавание или классификация прерываний;

· передача управления соответственно обработчику прерываний;

· корректное возвращение к прерванной программе.

Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выпол­няться как можно быстрей. Одним из быстрых методов является использование таблицы, содержащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответствующих обработчиков. Для корректного возвращения к пре­рванной программе перед передачей управления обработчику прерываний со­держимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым досту­пом, либо в системном стеке — system stack.

Стек – среда для размещения данных для возврата из подпрограмм, а так же их аргументы и автоматические данные.

Фраза «По принципу стека» означает: последним пришел, первым обслужен или первым пришел, последним обслужен.

Вектор прерывания – специальная область памяти, где находится адрес прерывающейся программы.

Пример: К компьютеру подключен холодильник. Когда холодильник захочет обратить на себя внимание процессора, он пошлет на одну из его ножек специальный сигнал прерывания, а потом пошлет число 179. Получив это число, процессор «заглядывает» в вектор прерываний и находит там адрес программы, обслуживающий холодильник. Он перейдёт по этому адресу и начнет работать с этой программой.

Прерывания бывают: от мыши, от клавиатуры, от дисководов. По номеру прерывания процессор знает куда обратиться, чтоб найти адрес программы, обслуживающей данное устройство.

Всякое устройство, внутреннее или внешнее, работает с процессором, используя одно из прерываний.

Рис. 3. Обработка прерывания

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разде­лить на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние (синхронные).

Внешние прерывания вызываются асинхронными событиями, которые происхо­дят вне прерываемого процесса, например:

· прерывания от таймера;

· прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу/выводу);

· прерывания по нарушению питания;

· прерывания с пульта оператора вычислительной системы;

· прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой про­цессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются сле­дующие запросы на прерывания:

· при нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запрещенный или несуществующий адрес, обращение к отсутствующему сег­менту или странице при организации механизмов виртуальной памяти);

· при наличии в поле кода операции незадействованной двоичной комбинации;

· при делении на нуль;

· при переполнении или исчезновении порядка;

· при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.