Обробка переривань

В обчислювальній техніці під перериванням розуміють подію, при якій міняється нормальна послідовність виконання команд, що визначена програмою. Переривання, є механізмом, що дозволяє координувати паралельне функціонування окремих пристроїв комп’ютерної системи та реагувати на особливі стани, що виникають при роботі процесора. Тобто, переривання, це примусова передача керування від програми, що виконується, до ОС, а через неї до відповідної програми обробки переривань. Ця передача відбувається при виникненні певної події.

Механізм переривань реалізується апаратно програмним забезпеченням. Структура систем переривань може бути різноманітною (в залежності від архітектури апаратного забезпечення), але всі вони реалізують одну ідею – переривається звичайний порядок виконання команд процесором.

Перехід від перерваної програми до обробника переривань повинен виконуватися якомога швидше. Одним з методів, що реалізуються цей механізм переходу, є організація таблиць, що містять всі допустимі в системі переривання та адреси їх обробників.

Для коректного повернення з переривання до перерваної програми перед передачею керування обробнику система запам’ятовує вміст регістрів процесора або у пам’яті з прямим доступом, або у системному стеку. (system stack).

Таким чином, якщо відбулося переривання:

1. Керування передається ОС;

2. ОС запам’ятовує стан перерваного процесу, як правило, ця інформація запам’ятовується в його блоці керування процесом (PCB);

3. ОС аналізує тип переривання та передає керування відповідному обробнику.

Переривання, що виникають при роботі обчислювальної системи, можна поділити на такі основні групи:

1. Зовнішні (або асинхронні). Викликаються асинхронними подіями, які відбуваються поза процесом, що виконується і відповідно переривається:

- переривання від таймера;

- переривання від зовнішніх пристроїв;

- переривання при збоях у живлення;

- переривання з пульта оператора обчислювальної системи;

- переривання від іншого процесора або обчислювальної системи.

2. Внутрішні. Викликаються подіями, що пов’язані з роботою процесу, що виконується і є синхронними з його операціями. Такі переривання виникають:

- при неправильній адресації (в адресній частині команди вказано заборонену або неіснуючу адресу, звертання до відсутнього сегменту або сторінки віртуальної пам’яті);

- при наявності в полі коду операції, неіснуючої команди;

- при діленні на нуль;

- при переповненні, або пропаданні порядку в числах з плаваючою крапкою;

- при виявленні порушення паритету парності, а також помилок в роботі різних пристроїв апаратури комп’ютера засобами контролю;

- переривання за звертаннями до супервізора. У деяких комп’ютерах існують привілейовані команди, які може виконувати тільки ОС, а не програми користувачів. Відповідно в апаратурі передбачено різні режими роботи. При спробі виконати таку команду заборонену в даному режимі, відбувається внутрішнє переривання і керування передається супервізору ОС.

3. Програмні переривання. Викликаються відповідними командами переривання. За такими командами процесор виконує практично такі самі дії, що й при внутрішній перериваннях.

За рінями пріоритету переривання розподіляються наступним чином:

Оскільки переривання виникають у довільні моменти часу та при їх виникненні вже можуть існувати декілька сигналів переривань, що повинні оброблятися тільки послідовно, то щоби обробити їх в деякому логічному порядку перериванням присвоюють пріоритети. Переривання з більш високим пріоритетом обробляється позачергово, обробка інших переривань відкладається. Отже переривання з високим пріоритетом може перевати обробку переривання з нижчим пріоритетом.

Перемикання контексту. Для обробки кожного з видів переривань в складі ОС передбачені програми, що називаються обробниками переривань (IH – Interrupt Handler). Коли відбувається переривання, ОС запам’ятовує стан перерваних процесів та передає керування відповідним обробникам переривань. Ця процедура називається перемиканням контексту. При її реалізації використовуються слова стану програми (Program Status Word, PSW), які керують напрямком виконання команд і містять різну інформацію про відносно стану процесу.

Існує три типи PSW: біжуче, нове та старе.

Адреса наступної команди, що має виконуватися, міститься в біжучому PSW, у ньому вказані також типи переривань, що дозволені заборонені на даний час.

CPU реагує на дозволені переривання. Обробка заборонених переривань або відкладається, або ігнорується. Процесору не можна заборонити реагувати на переривання супервізора, з рестарту та на деякі види програмних переривань.

В одно процесорній машині є тільки одне біжуче PSW, але N нових та N старих (по одному на кожен тип переривань).

Нове PSW для переривання біжучого типу містить постійну адресу, за якою резидентно міститься обробник переривань цього типу. Коли відбувається переривання і якщо процесору не заборонено обробляти переривання цього типу, відбувається автоматичне (виконується апаратурою) перемикання PSW за схемою:

1) Біжуче PSW стає старим PSW для переривань цього типу;

2) Нове PSW для переривань цього типу стає біжучим PSW.

Коли обробку переривання завершено, ЦП починає обслуговувати або той процес, який виконувався в момент переривання, або готовий процес з найвищим пріоритетом. Це залежить від того, чи дозволяє перерваний процес перехоплення ЦП, чи ні. Якщо ні, то перерваний процес знову отримує у своє розпорядження ЦП. Якщо дозволяє, то він отримає доступ до ЦП тільки у випадку, якщо нема інших процесів готових до виконання.