Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора, то есть прерывание — это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через нее — к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.
Идея прерывания была предложена также очень давно — 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 функционирования 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 подразумевает выполнение некоторой последовательности шагов.
1. Установление факта прерывания (прием сигнала запроса на прерывание) и идентификация прерывания (в операционных системах идентификация пре рывания иногда осуществляется повторно, на шаге 4).
2. Запоминание состояния прерванного процесса вычислений. Состояние процесса выполнения программы определяется, прежде всего, значением счетчика ко манд (адресом следующей команды, который, например, в i80x86 определяется регистрами CS и IP — указателем команды [1,8, 48]), содержимым регистров процессора, и может включать также спецификацию режима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую информацию.
3. Управление аппаратно передается на подпрограмму обработки прерывания. В простейшем случае в счетчик команд заносится начальный адрес подпро граммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры — информация из слова состояния. В более развитых процессорах, например в 32-разрядных микропроцессорах фирмы Intel (начиная с i80386 и включая последние про цессоры Pentium IV) и им подобных, осуществляются достаточно сложная про цедура определения начального адреса соответствующей подпрограммы обра ботки прерывания и не менее сложная процедура инициализации рабочих регистров процессора (подробно эти вопросы рассматриваются в разделе «Си стема прерываний 32-разрядных микропроцессоров i80x86» главы 4).
4. Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на шаге 2 с помощью аппаратуры. В некоторых процессорах предусматривает ся запоминание довольно большого объема информации о состоянии прерван ных вычислений.
5. Собственно выполнение программы, связанной с обработкой прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограммой, на которую было переда-
На рис. 1.2 показано, что при возникновении запроса на прерывание естественный ход вычислений нарушается и управление передается на программу 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 на прерванную ранее программу посредством занесения в указатель команд сохраненного адреса команды, которую нужно было бы выполнить, если бы не возникло прерывание. Однако такая схема используется только в самых простых программных средах. В мультипрограммных операционных системах обработка прерываний происходит по более сложным схемам, о чем будет более подробно написано ниже.
Итак, главные функции механизма прерываний — это:
- распознавание или классификация прерываний;
- передача управления соответствующему обработчику прерываний;
- корректное возвращение к прерванной программе.
Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выполняться как можно быстрей. Одним из самых простых и 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).
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:
20_____________________________________________ Глава 1. Основные понятия
- 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 ноль;
- вследствие переполнения или исчезновения порядка;
- от средств контроля (например, вследствие обнаружения ошибки четности, ошибок в работе различных устройств).
Рис. 1.2. Обработка прерывания
Могут еще существовать прерывания в связи с попыткой выполнить команду, которая сейчас запрещена. Во многих компьютерах часть команд должна выполняться только кодом самой операционной системы, но не прикладными программами. Это делается с целью повышения защищенности выполняемых на компьютере вычислений. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и пользовательские программы выполняются в режиме, в котором некоторое под-
множество команд, называемых привилегированными, не исполняется. К привилегированным командам помимо команд ввода-вывода относятся и команды переключения режима работа центрального процессора, и команды инициализации некоторых системных регистров процессора. При попытке использовать команду, запрещенную в данном режиме, происходит внутреннее прерывание, и управление передается самой операционной системе.
Наконец, существуют собственно программные прерывания. Эти прерывания происходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Этот 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 обычное прерывание. Этим, прежде всего, обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполнения любых команд.
Сигналы, вызывающие прерывания, формируются вне процессора или в самом процессоре, они могут возникать одновременно. Выбор одного из них для обработки осуществляется на основе приоритетов, приписанных каждому типу прерывания. Так, со всей очевидностью, прерывания от схем контроля процессора должны обладать наивысшим приоритетом (действительно, если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обработку информации). На рис. 1.3 изображен обычный порядок (приоритеты) обработки прерываний в зависимости от типа прерываний. Учет приоритета может быть встроен в технические средства, а также определяться операционной системой, то есть кроме аппаратно реализованных приоритетов прерывания большинство вычислительных машин и комплексов допускают программно-аппаратное управление порядком обработки сигналов прерывания. Второй способ, дополняя первый, позволяет применять различные дисциплины обслуживания прерываний.
Рис.1.3. Распределение прерываний по уровням приоритета
Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сиг-
22_____________________________________________ Глава 1. Основные понятия
налов прерывания. Программное управление этими средствами (существуют специальные команды для управления работой системы прерываний) позволяет операционной системе регулировать обработку сигналов прерывания, заставляя процессор обрабатывать их сразу по приходу; откладывать обработку на некоторое время; полностью игнорировать прерывания. Обычно операция прерывания выполняется только после завершения выполнения текущей команды. Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты времени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания, которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы прерывания в разумном порядке, им (как уже отмечалось) присваиваются приоритеты. Сигнал с более высоким приоритетом обрабатывается в первую очередь, обработка остальных сигналов прерывания откладывается.
Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигналов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания.
□ С относительными приоритетами, то есть обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высокими приоритетами. После окончания об служивания данного запроса обслуживается запрос с наивысшим приоритетом. Для организации такой дисциплины необходимо в программе обслуживания данного запроса наложить маски на все остальные сигналы прерывания или просто отключить систему прерываний.
- С абсолютными приоритетами, то есть всегда обслуживается прерывание с наивысшим приоритетом. Для реализации этого режима необходимо на время обработки прерывания замаскировать все запросы с более низким приоритетом. При этом возможно многоуровневое прерывание, то есть прерывание программ обработки прерываний. Число уровней прерывания в этом режиме изменяется и зависит от приоритета запроса.
□ По принципу стека, или, как иногда говорят, по дисциплине LCFS (Last Come First Served — последним пришел, первым обслужен), то есть запросы с более низким приоритетом могут прерывать обработку прерывания с более высоким приоритетом. Дли этого необходимо не накладывать маску ни на один из сиг налов прерывания и не выключать систему прерываний.
Следует особо отметить, что для правильной реализации последних двух дисциплин нужно обеспечить полное маскирование системы прерываний при выполнении шагов 1-4 и 6-7. Это необходимо для того, чтобы не потерять запрос и правильно его обслужить. Многоуровневое прерывание должно происходить на этапе собственно обработки прерывания, а не на этапе перехода с одного процесса вычислений на другой.
Управление ходом выполнения задач со стороны операционной системы заключается в организации реакций на прерывания, в организации обмена информацией (данными и программами), в предоставлении необходимых ресурсов, в динамике выполнения задачи и в организации сервиса. Причины прерываний определяет операционная система (модуль, который называют супервизором прерываний), она же и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и в данной ситуации. Поэтому в состав любой операционной системы реального времени прежде
всего входят программы управления системой прерываний, контроля состояний задач и событий, синхронизации задач, средства распределения памяти и управления ею, а уже потом средства организации данных (с помощью файловых систем и т. д. Следует однако заметить, что современная операционная система реального времени должна вносить в аппаратно-программный комплекс нечто большее, нежели просто обеспечение быстрой реакции на прерывания.
Как мы уже знаем, при появлении запроса на прерывание система прерываний идентифицирует сигнал и, если прерывания разрешены, то управление передается на соответствующую подпрограмму обработки. Из рис. 1.2 видно, что в подпрограмме обработки прерывания имеется две служебные секции. Это — первая секция, в которой осуществляется сохранение контекста прерываемых вычислений, который не смог быть сохранен на шаге 2, и последняя, заключительная секция, в которой, наоборот, осуществляется восстановление контекста. Для того чтобы система прерываний не среагировала повторно на сигнал запроса на прерывание, она обычно автоматически «закрывает» (отключает) прерывания, поэтому необходимо потом в подпрограмме обработки прерываний вновь включать систему прерываний. В соответствии с рассмотренными режимами обработки прерываний (с относительными и абсолютными приоритетами и по правилу LCFS) установка этих режимов осуществляется в конце первой секции подпрограммы обработки. Таким образом, на время выполнения центральной секции (в случае работы в режимах с абсолютными приоритетами и по дисциплине LCFS) прерывания разрешены. На время работы заключительной секции подпрограммы обработки система прерываний вновь должна быть отключена и после восстановления контекста опять включена. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерываний, во многих операционных системах первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в уже упоминавшийся специальный системный программный модуль, называемый супервизором прерываний.
Супервизор прерываний прежде всего сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерываемого вычислительного процесса. Далее он определяет ту подпрограмму, которая должна выполнить действия, связанные с обслуживанием настоящего (текущего) запроса на прерывание. Наконец, перед тем, как передать управление на эту подпрограмму, супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерывания. После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление вновь передается ядру операционной системы. На этот раз уже на тот модуль, который занимается диспетчеризацией задач (см. раздел «Планирование и диспетчеризация процессов и задач» в главе 2). И уже диспетчер задач, в свою очередь, в соответствии с принятой дисциплиной распределения процессорного времени (между выполняющимися вычислительными процессами) восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор. Рассмотренную нами схему иллюстрирует рис. 1.4.
Как мы видим из рисунка, здесь отсутствует возврат в прерванную ранее программу непосредственно из самой подпрограммы обработки прерывания. Для прямого
24_____________________________________________ Глава 1. Основные понятия
возврата достаточно адрес возврата сохранить в стеке, что и делает аппаратура процессора. При этом стек легко обеспечивает возможность возврата в случае вложенных прерываний, поскольку он всегда реализует дисциплину LCFS.
Рис. 1.4. Обработка прерывания при участии супервизоров ОС
Однако если бы контекст вычислительных процессов сохранялся просто в стеке, как это обычно реализуется аппаратурой, а не в специальных структурах данных, называемых дескрипторами, о чем будет подробно изложено чуть позже, то у нас не было бы возможности гибко подходить к выбору той задачи, которой нужно передать процессор после завершения работы подпрограммы обработки прерывания. Естественно, что это только общий принцип. В конкретных процессорах и в конкретных операционных системах могут существовать некоторые отступления от рассмотренной схемы и/или дополнения. Например, в современных процессорах часто имеются специальные аппаратные возможности для сохранения контекста прерываемого вычислительного процесса непосредственно в его дескрипторе, то есть дескриптор процесса (по крайней мере его часть) становится структурой данных, которую поддерживает аппаратура.
Понятия вычислительного процесса и ресурса_______________________________ 25
Для полного понимания принципов создания и механизмов реализации рассматриваемых далее современных операционных систем необходимо знать архитектуру и, в частности, особенности системы прерывания персональных компьютеров. Этот вопрос более подробно рассмотрен в главе 4, посвященной архитектуре микропроцессоров i80x86.
