Решение задачи: Системы Прерываний

Вот ответы на вопросы, оформленные так, чтобы их было удобно переписать в тетрадь школьнику. Вопросы: 1. Принципы организации систем прерывания программ. 2. Вектор прерываний. 3. Основные характеристики систем прерывания. 4. Типы приоритетов прерываний. 5. Вложенные прерывания. 6. Типы прерываний. --- Ответы: 1. Принципы организации систем прерывания программ: Система прерываний – это механизм, который позволяет процессору временно остановить выполнение текущей программы, чтобы обработать какое-либо событие (например, сигнал от внешнего устройства, ошибку или запрос операционной системы), а затем вернуться к прерванной программе. Основные принципы: * **Сохранение контекста:** Перед обработкой прерывания процессор должен сохранить состояние текущей программы (регистры, счетчик команд и т.д.), чтобы после завершения обработки прерывания можно было корректно продолжить её выполнение. * **Идентификация источника прерывания:** Система должна определить, какое именно событие вызвало прерывание, чтобы выбрать соответствующую подпрограмму обработки. * **Передача управления:** После идентификации источника управление передается специальной подпрограмме – обработчику прерывания. * **Обработка прерывания:** Обработчик выполняет необходимые действия для реагирования на событие. * **Восстановление контекста и возврат:** После завершения обработки прерывания процессор восстанавливает сохраненное состояние прерванной программы и продолжает её выполнение с того места, где она была прервана. * **Приоритетность:** Различные прерывания могут иметь разные уровни приоритета. Прерывание с более высоким приоритетом может прервать обработку прерывания с более низким приоритетом. * **Маскирование:** Некоторые прерывания могут быть временно заблокированы (замаскированы), чтобы предотвратить их обработку в критических участках кода. 2. Вектор прерываний: Вектор прерываний – это адрес ячейки памяти, которая содержит адрес начала подпрограммы-обработчика конкретного типа прерывания. Проще говоря, это указатель, который говорит процессору, куда нужно "прыгнуть", чтобы начать выполнять код, предназначенный для обработки определенного прерывания. Совокупность всех векторов прерываний образует таблицу векторов прерываний, которая обычно располагается в начале адресного пространства памяти. Когда происходит прерывание, процессор использует номер прерывания (или его тип) как индекс для поиска соответствующего вектора в этой таблице и затем переходит по адресу, указанному в векторе. 3. Основные характеристики систем прерывания: * **Количество источников прерываний:** Сколько различных событий может вызвать прерывание. * **Скорость реакции:** Время, которое проходит от момента возникновения прерывания до начала выполнения обработчика прерывания. * **Приоритетность прерываний:** Возможность назначать разные уровни важности различным прерываниям. * **Маскируемость прерываний:** Возможность временно запрещать или разрешать обработку определенных прерываний. * **Вложенность прерываний:** Способность системы обрабатывать новое прерывание, пока выполняется обработчик другого прерывания (если новое прерывание имеет более высокий приоритет). * **Способ идентификации источника прерывания:** Как процессор определяет, какое именно событие вызвало прерывание (например, через вектор прерываний, опрос устройств). * **Механизм сохранения и восстановления контекста:** Как система сохраняет состояние прерванной программы и восстанавливает его после обработки прерывания. 4. Типы приоритетов прерываний: Приоритет прерывания определяет его важность и порядок обработки, если несколько прерываний возникают одновременно или одно прерывание возникает во время обработки другого. Основные типы приоритетов: * **Фиксированный (аппаратный) приоритет:** Приоритеты жестко заданы аппаратно и не могут быть изменены программно. Обычно более низкие номера прерываний имеют более высокий приоритет. * **Программно-устанавливаемый приоритет:** Приоритеты могут быть изменены программно, что позволяет операционной системе или приложению динамически управлять порядком обработки прерываний. * **Динамический приоритет:** Приоритет прерывания может меняться в зависимости от текущего состояния системы или других факторов. Например, прерывание, которое долго ждет обработки, может получить повышенный приоритет. Системы с приоритетами позволяют обрабатывать наиболее важные события в первую очередь, даже если они возникают во время обработки менее важных событий. 5. Вложенные прерывания: Вложенные прерывания – это ситуация, когда во время выполнения обработчика одного прерывания возникает другое прерывание, и процессор начинает обрабатывать это новое прерывание, не завершив предыдущее. Это возможно только в системах, поддерживающих приоритеты прерываний. Если новое прерывание имеет более высокий приоритет, чем текущее обрабатываемое, то процессор: 1. Сохраняет контекст текущего обработчика прерывания. 2. Переходит к обработке нового, более приоритетного прерывания. 3. После завершения обработки высокоприоритетного прерывания восстанавливает контекст предыдущего обработчика и продолжает его выполнение. Вложенные прерывания позволяют системе оперативно реагировать на критически важные события, не дожидаясь завершения менее важных задач. 6. Типы прерываний: Прерывания можно классифицировать по различным признакам. По источнику возникновения: * **Аппаратные прерывания:** Вызываются внешними устройствами (например, клавиатура, мышь, жесткий диск, сетевая карта) или внутренними аппаратными компонентами (таймер, контроллер DMA). Они сигнализируют о завершении операции, ошибке или готовности к обмену данными. * **Программные прерывания (исключения):** Вызываются самой программой или процессором в результате выполнения определенных инструкций или возникновения ошибок. * **Исключения (Exceptions):** Возникают при ошибках в программе (деление на ноль, обращение к несуществующей памяти, переполнение). * **Программные ловушки (Traps):** Преднамеренно вызываются программой для запроса услуг операционной системы (например, чтение файла, вывод на экран). По маскируемости: * **Маскируемые прерывания:** Могут быть временно заблокированы (замаскированы) программно. Это полезно для защиты критических участков кода, где прерывания могут привести к некорректной работе. * **Немаскируемые прерывания (NMI - Non-Maskable Interrupt):** Не могут быть заблокированы программно. Обычно используются для обработки критических аппаратных ошибок (например, сбой памяти, отказ питания), которые требуют немедленного внимания. По синхронности: * **Синхронные прерывания:** Возникают в предсказуемый момент времени, непосредственно связанные с выполнением конкретной инструкции программы (например, деление на ноль). * **Асинхронные прерывания:** Возникают в любой момент времени, независимо от выполняемой программы, обычно по инициативе внешних устройств.