Решение задачи: Эмуляция прерываний от клавиатуры

Хорошо, давайте разберем эти задания и вопросы. Задание: 1. Написать программу эмуляции работы прерываний от клавиатуры на языке программирования высокого уровня, то есть по нажатию заданной клавиши прервать работу программы. Решение: Для эмуляции прерывания от клавиатуры на языке высокого уровня (например, C++) можно использовать функцию, которая ожидает нажатия определенной клавиши. Когда эта клавиша нажата, программа "прерывает" свою основную работу и выполняет некие действия. Пример программы на C++: ```cpp #include // Для ввода/вывода #include // Для _kbhit() и _getch() (Windows-специфично) #include // Для std::this_thread::sleep_for #include // Для std::chrono::seconds // Функция, имитирующая основную работу программы void main_program_work() { std::cout << "Основная программа работает..." << std::endl; for (int i = 0; i < 10; ++i) { std::cout << "Выполняется шаг " << i + 1 << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // Имитация работы } std::cout << "Основная программа завершила работу." << std::endl; } // Функция-обработчик прерывания void interrupt_handler() { std::cout << "\n--- Прерывание от клавиатуры! ---" << std::endl; std::cout << "Выполняются действия обработчика прерывания." << std::endl; // Здесь можно добавить любую логику, которая должна выполняться при прерывании std::cout << "Обработчик прерывания завершил работу." << std::endl; } int main() { std::cout << "Нажмите 'P' для прерывания работы программы." << std::endl; std::cout << "Нажмите любую другую клавишу для продолжения основной работы." << std::endl; // Запускаем основную работу программы в отдельном потоке, чтобы не блокировать ввод с клавиатуры // В данном случае, для простоты, мы будем проверять ввод в основном цикле // и прерывать выполнение main_program_work, если клавиша нажата. bool interrupted = false; char interrupt_key = 'P'; // Заданная клавиша для прерывания std::cout << "Основная программа начинает работу..." << std::endl; for (int i = 0; i < 20; ++i) { // Имитация длительной работы if (_kbhit()) { // Проверяем, была ли нажата клавиша char key = _getch(); // Считываем нажатую клавишу if (toupper(key) == interrupt_key) { // Если нажата заданная клавиша interrupt_handler(); // Вызываем обработчик прерывания interrupted = true; break; // Прерываем основную работу } else { std::cout << "Нажата клавиша '" << key << "', но это не клавиша прерывания. Продолжаем." << std::endl; } } std::cout << "Основная работа: шаг " << i + 1 << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500)); // Имитация работы } if (!interrupted) { std::cout << "Основная программа завершила работу без прерывания." << std::endl; } else { std::cout << "Основная программа была прервана и завершена." << std::endl; } std::cout << "Нажмите любую клавишу для выхода." << std::endl; _getch(); // Ждем нажатия клавиши перед выходом return 0; } ``` Пояснение: * Функция `main_program_work` имитирует длительную работу. * Функция `interrupt_handler` - это наш "обработчик прерывания". * В `main` мы постоянно проверяем, не была ли нажата клавиша (`_kbhit()`). * Если клавиша нажата, мы считываем её (`_getch()`) и сравниваем с заданной клавишей прерывания ('P'). * Если клавиша совпадает, мы вызываем `interrupt_handler` и прерываем основной цикл. 2. Написать программу, эмулирующую работу клавиатурного буфера с передачей всех накопленных сигналов с заданной частотой. Решение: Клавиатурный буфер накапливает нажатия клавиш. Эмуляция его работы с передачей сигналов с заданной частотой означает, что мы будем собирать нажатия клавиш в список (буфер) и периодически (с заданной частотой) "передавать" их, то есть выводить на экран или обрабатывать. Пример программы на C++: ```cpp #include #include // Для std::vector (буфер) #include // Для _kbhit() и _getch() #include // Для std::this_thread::sleep_for #include // Для std::chrono::milliseconds int main() { std::vector keyboard_buffer; // Клавиатурный буфер const int transmission_frequency_ms = 2000; // Частота передачи: каждые 2 секунды auto last_transmission_time = std::chrono::high_resolution_clock::now(); std::cout << "Эмуляция клавиатурного буфера. Нажимайте клавиши." << std::endl; std::cout << "Накопленные клавиши будут передаваться каждые " << transmission_frequency_ms / 1000 << " секунды." << std::endl; std::cout << "Нажмите 'Esc' для выхода." << std::endl; while (true) { // Проверяем, есть ли нажатия клавиш if (_kbhit()) { char key = _getch(); if (key == 27) { // ASCII-код для Esc std::cout << "\nНажата Esc. Выход из программы." << std::endl; break; } keyboard_buffer.push_back(key); // Добавляем клавишу в буфер std::cout << "Клавиша '" << key << "' добавлена в буфер. Текущий размер буфера: " << keyboard_buffer.size() << std::endl; } // Проверяем, пришло ли время для передачи буфера auto current_time = std::chrono::high_resolution_clock::now(); auto elapsed_time = std::chrono::duration_cast(current_time - last_transmission_time); if (elapsed_time.count() >= transmission_frequency_ms) { if (!keyboard_buffer.empty()) { std::cout << "\n--- Передача буфера (частота " << transmission_frequency_ms / 1000 << "с) ---" << std::endl; std::cout << "Переданы клавиши: "; for (char c : keyboard_buffer) { std::cout << c << " "; } std::cout << std::endl; keyboard_buffer.clear(); // Очищаем буфер после передачи std::cout << "Буфер очищен. Текущий размер буфера: " << keyboard_buffer.size() << std::endl; } else { std::cout << "\n--- Время передачи (частота " << transmission_frequency_ms / 1000 << "с), но буфер пуст. ---" << std::endl; } last_transmission_time = current_time; // Обновляем время последней передачи } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50)); // Небольшая задержка, чтобы не нагружать процессор } return 0; } ``` Пояснение: * `keyboard_buffer` - это `std::vector`, который служит нашим буфером. * Программа в цикле постоянно проверяет нажатия клавиш. * Нажатые клавиши добавляются в `keyboard_buffer`. * С помощью `std::chrono` мы отслеживаем время и, когда проходит `transmission_frequency_ms`, "передаем" содержимое буфера (выводим на экран) и очищаем его. 3. Написать программу транзитного обработчика прерываний от клавиатуры. Обработчик должен перехватывать код «горячей клавиши» (например, F10) с целью выполнения некоторых аварийных действий. Решение: "Транзитный обработчик" означает, что он перехватывает прерывание, выполняет свои действия, а затем, возможно, передает управление стандартному обработчику или возвращает управление основной программе. Перехват "горячей клавиши" требует низкоуровневого доступа к клавиатурным прерываниям, что сложно реализовать на чистом C++ без использования специфичных для ОС библиотек. Для Windows можно использовать функции `SetWindowsHookEx` для установки глобального хука клавиатуры. Это довольно сложная тема для школьника. В рамках эмуляции на высоком уровне, мы можем сделать это так: Пример программы на C++ (эмуляция): ```cpp #include #include #include #include // Функция, имитирующая стандартный обработчик клавиатуры void default_keyboard_handler(char key_code) { std::cout << "Стандартный обработчик клавиатуры получил код: " << (int)key_code << " (символ: " << key_code << ")" << std::endl; // Здесь могла бы быть логика, например, вывод символа на экран } // Функция-обработчик "горячей клавиши" void hotkey_handler() { std::cout << "\n!!! АВАРИЙНЫЕ ДЕЙСТВИЯ: Горячая клавиша F10 нажата !!!" << std::endl; std::cout << "Выполняется сохранение данных..." << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); std::cout << "Данные сохранены. Выполняется очистка ресурсов..." << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); std::cout << "Аварийные действия завершены." << std::endl; } int main() { std::cout << "Программа работает. Нажимайте клавиши." << std::endl; std::cout << "Нажмите F10 для выполнения аварийных действий." << std::endl; std::cout << "Нажмите Esc для выхода." << std::endl; while (true) { if (_kbhit()) { int key_code = _getch(); // Считываем код клавиши // Для функциональных клавиш _getch() возвращает 0 или 0xE0, а затем сам код клавиши if (key_code == 0 || key_code == 0xE0) { key_code = _getch(); // Считываем фактический код функциональной клавиши // Коды функциональных клавиш (зависят от компилятора/системы) // F10 обычно имеет код 68 или 0x44 после 0 или 0xE0 if (key_code == 68) { // Примерный код для F10 hotkey_handler(); // Вызываем наш обработчик // В транзитном обработчике мы можем решить, передавать ли дальше // В данном случае, после аварийных действий, мы не передаем дальше // и продолжаем основной цикл. continue; // Пропускаем стандартный обработчик для F10 } } if (key_code == 27) { // Esc std::cout << "\nНажата Esc. Выход из программы." << std::endl; break; } // Если это не F10 и не Esc, передаем стандартному обработчику default_keyboard_handler(static_cast(key_code)); } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // Небольшая задержка } return 0; } ``` Пояснение: * Мы имитируем "перехват" клавиши F10. `_getch()` возвращает специальные коды для функциональных клавиш. * Если обнаружен код F10, вызывается `hotkey_handler` для выполнения "аварийных действий". * Для всех остальных клавиш вызывается `default_keyboard_handler`, имитирующий стандартную обработку. 4. Написать программу, перехватывающую прерывания от системного таймера, поступающие каждые 20 секунд, периодически выводящую на экран какую-либо информацию. Решение: Перехват аппаратных прерываний от системного таймера на языке высокого уровня напрямую невозможен без использования специфичных для ОС API или драйверов. Однако мы можем эмулировать это, используя функции задержки и таймеры, доступные в стандартных библиотеках. Пример программы на C++: ```cpp #include #include #include #include // Для атомарной переменной, если бы мы использовали потоки // Функция-обработчик прерывания от таймера void timer_interrupt_handler() { std::cout << "\n--- Прерывание от системного таймера (каждые 20 секунд)! ---" << std::endl; std::cout << "Текущее время: " << std::chrono::system_clock::to_time_t(std::chrono::system_clock::now()) << std::endl; std::cout << "Выводится периодическая информация: 'Система работает стабильно.'" << std::endl; std::cout << "---------------------------------------------------------" << std::endl; } int main() { const int timer_interval_seconds = 20; // Интервал таймера в секундах auto last_timer_event_time = std::chrono::high_resolution_clock::now(); std::cout << "Эмуляция перехвата прерываний от системного таймера." << std::endl; std::cout << "Информация будет выводиться каждые " << timer_interval_seconds << " секунд." << std::endl; std::cout << "Нажмите Ctrl+C для выхода (или дождитесь завершения, если есть)." << std::endl; // В данном примере программа будет просто ждать и выводить информацию // Если бы была другая работа, её можно было бы выполнять в цикле // и периодически проверять время. while (true) { auto current_time = std::chrono::high_resolution_clock::now(); auto elapsed_time = std::chrono::duration_cast(current_time - last_timer_event_time); if (elapsed_time.count() >= timer_interval_seconds) { timer_interrupt_handler(); // Вызываем наш обработчик last_timer_event_time = current_time; // Обновляем время последнего события } // Небольшая задержка, чтобы не нагружать процессор std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); } return 0; } ``` Пояснение: * Мы используем `std::chrono` для отслеживания прошедшего времени. * Каждые 20 секунд (или заданный интервал) мы вызываем `timer_interrupt_handler`, который выводит нужную информацию. * Это эмуляция, так как мы не перехватываем реальное аппаратное прерывание, а просто проверяем время в цикле. Вопросы: 1. Принципы организации систем прерывания программ. Ответ: Система прерываний - это механизм, который позволяет процессору временно приостановить выполнение текущей программы, чтобы обработать какое-либо событие (прерывание), а затем вернуться к прерванной программе и продолжить её выполнение с того места, где она была прервана. Основные принципы организации: 1. Источники прерываний: * Аппаратные прерывания: генерируются внешними устройствами (клавиатура, мышь, таймер, диск, сетевая карта) или внутренними компонентами процессора (например, деление на ноль, переполнение). * Программные прерывания (или исключения): генерируются самой программой (например, системные вызовы, ошибки выполнения). 2. Вектор прерываний: Это таблица (обычно в оперативной памяти), которая содержит адреса функций-обработчиков для каждого типа прерывания. Каждому типу прерывания присвоен уникальный номер (вектор). 3. Приоритеты прерываний: Различные прерывания могут иметь разные уровни важности. Система прерываний обычно имеет механизм приоритетов, чтобы более важные прерывания могли прервать обработку менее важных. 4. Маскирование прерываний: Возможность временно запретить (замаскировать) обработку некоторых прерываний, чтобы избежать их возникновения в критических секциях кода. 5. Процесс обработки прерывания: * Возникновение прерывания: Аппаратное устройство или программа генерирует сигнал прерывания. * Сохранение контекста: Процессор автоматически сохраняет состояние текущей программы (регистры, указатель команд) в стеке, чтобы потом можно было вернуться. * Определение типа прерывания: Контроллер прерываний определяет номер (вектор) прерывания. * Передача управления обработчику: Процессор по вектору прерывания находит адрес соответствующего обработчика в таблице векторов и передает ему управление. * Выполнение обработчика: Обработчик прерывания выполняет необходимые действия (например, считывает данные с клавиатуры, обрабатывает ошибку). * Восстановление контекста: После завершения работы обработчика, процессор восстанавливает сохраненное состояние прерванной программы из стека. * Возврат к прерванной программе: Программа продолжает выполнение с того места, где она была прервана. 6. Контроллер прерываний: Специальное аппаратное устройство (например, PIC - Programmable Interrupt Controller), которое управляет прерываниями, принимает запросы от устройств, определяет их приоритет и передает процессору. Системы прерываний являются фундаментальной частью современных операционных систем, позволяя им эффективно реагировать на внешние события и управлять ресурсами. 2. Вектор прерываний. Ответ: Вектор прерываний (или таблица векторов прерываний, Interrupt Vector Table, IVT) - это специальная область памяти, которая содержит адреса (указатели) на функции-обработчики для каждого возможного типа прерывания. Основные характеристики и назначение: * Структура: Это, по сути, массив или таблица, где каждый элемент соответствует определенному номеру прерывания (вектору). * Индексация: Номер прерывания (от 0 до 255 в старых архитектурах x86) используется как индекс для доступа к соответствующему элементу в таблице. * Содержимое: Каждый элемент таблицы содержит адрес начала кода программы-обработчика (Interrupt Service Routine, ISR) для данного прерывания. В некоторых архитектурах это может быть просто адрес, в других - более сложная структура, включающая сегмент и смещение. * Назначение: Когда возникает прерывание, процессор (или контроллер прерываний) определяет его номер. Затем он использует этот номер, чтобы найти в таблице векторов прерываний адрес соответствующего обработчика и передать ему управление. * Настройка: Операционная система или BIOS инициализируют эту таблицу при загрузке, заполняя её адресами своих стандартных обработчиков. Программы могут изменять эти адреса (устанавливать свои обработчики), чтобы перехватывать и обрабатывать определенные прерывания по-своему (как в задании 3). * Пример (для старых x86): В реальном режиме процессора x86 таблица векторов прерываний располагалась по адресу 0000:0000h и занимала 1024 байта (256 векторов по 4 байта каждый). Каждый вектор состоял из двух слов: смещения и сегмента адреса обработчика. Вектор прерываний является ключевым элементом архитектуры, обеспечивающим гибкость и расширяемость системы, позволяя различным компонентам и программам реагировать на события, не вмешиваясь напрямую в работу друг друга.