Возможность прерывания программ — Лекция N2: Система прерывания программ

^ — важное свойство ЭВМ, позволяющее существенно повысить эффективность использования ее ресурсов, а также использовать ЭВМ для управления в системах реального времени. Для реализации прерывания в ЭВМ должны существовать соответствующие программные и аппаратные средства, называемые системой прерывания программ (СПП), или контроллером прерываний. Основные функции СПП состоят в запоминании ССП и переходе к прерывающей программе, при этом для запоминания ССП используется фиксированная зона оперативной памяти (например, в ЭВМ типа IBM/360 и IBM/370 и соответственно в ЕС ЭВМ) или же стековая память (например, в ЭВМ типа IBM PC с МП типа 80х86).При наличии нескольких источников запросов прерывания должен быть установлен определенный порядок (дисциплина) в обслуживании поступающих запросов. Другими словами, должны быть установлены приоритетные соотношения, определяющие, какой из нескольких поступивших запросов должен быть обработан в первую очередь и имеет ли он право прервать текущую программу. Приоритетный выбор запроса входит в процедуру перехода к прерывающей программе.
Важную роль играет регистр масок прерываний, разряды которого могут программно и аппаратно устанавливаться в "1" или "0". Этим достигается программно-управляемый приоритет прерываний. Установленный в "1" триггер регистра масок запрещает соответствующее прерывание, а в положении "0" разрешает его. Некоторые причины прерывания в каких-то конкретных типах ЭВМ не могут быть программно замаскированы.

В современных ЭВМ обычно реализуется так называемое векторное прерывание, при котором источник прерывания выставляет запрос прерывания и одновременно выставляет на шины интерфейса с центральным процессором код адреса своего вектора прерывания в памяти ЭВМ, т.е.для разных причин сразу же включаются аппаратно соответствующие им прерывающие программы, называемые обработчиками прерываний. В некоторых ЭВМ источник прерывания вместо кода адреса своего вектора выставляет номер своего прерывания, по которому СПП формирует адрес внутренней памяти с новым ССП.

Перечислим основные действия, который должен выполнить обработчик прерываний:
Сохранять при необходимости содержимое всех или части программно-доступных регистров (эту процедуру иногда называют переключением контекста);
Заблокировать все прерывания, возникновение которых в процессе выполнения обработчика может привести к конфликту (часто это выполняется аппаратурой ЭВМ без участия программы);
Разрешить все прерывания, которые имеют право возникать во время обработки данного прерывания;
Определить источник прерывания;
Выполнить запланированную обработку прерывания;
Восстановить ССП;
Разрешить все прерывания, которые были запрещены при обработке данного прерывания.
Возобновлять выполнение прерванного процесса; вместо этого обработчик прерывания может заканчивать свою работу переводом ЭВМ в состояние ожидания (например, при машинных сбоях) или передачей управления ОС.
Основные типы прерываний в ЭВМ типа IBM PC с МП 80х86
Прерывания в этой ЭВМ могут быть разбиты на следующие группы:
Немаскируемое аппаратное прерывание, возникающее в результате серьезного аппаратного сбоя в работе МП и внутренней памяти.
Внешние аппаратные прерывания, возникающие при возникновении сигналов прерывания от таймера, клавиатуры и различных ПУ;
Внутренние события, называемые исключениями и возникающие в том случае, если процессор не может выполнить очередную команду, например, вследствие равенства делителя нулю при выполнении операции деления, недопустимом коде команды и т.д.; к этой же группе относится прерывание, называемое исключением отладки и возникающее в том случае, если по заданию программиста в команде при трансляции ???? был установлен признак так называемой ловушки;
Программные прерывания, возникающие при выполнении процессором команды int с числовым аргументом.

Другим аппаратным устройством, имеющим важнейшее значение для организации вычислительного процесса, является таймер. Его использование позволяет программно-аппаратным способом задавать программные события, наступающие по истечении заданного промежутка времени, считая от момента задания этих событий. Эти события реализуются путем выработки сигнала прерывания от таймера и включения оответствующего обработчика прерывания. Рассмотрим более подробно работу таймера на примере его устройства в ЭВМ типа IBM PC с МП типа 80х86.
Этот таймер состоит из трех почти одинаковых каналов – каналов "0", "1" и "2". При работе программ главным образом используется канал "0", поэтому он и будет рассмотрен; на рис.1 приведена его схема. Генератор импульсов (ГИ) вырабатывает с частотой f=1193180 Гц непрерывную последовательность импульсов, поступающих на импульсные входы всех трех каналов. При каждом поступлении импульса на вход 16-разрядного счетчика из содержимого последнего вычитается "1" и при переходе этого счетчика из состояния 000…01 в состояние 000…00 вырабатывается сигнал прерывания, поступающий в СПП для включения последним программы-обработчика прерывания от таймера. Если исходно состояние счетчика таймера равно 00…0, то при поступлении очередного импульса из ГИ состояние счетчика становится равным 11…1 и далее уменьшается на "1" при каждом поступлении импульса из ГИ. В этом случае сигнал прерывания будет выработан таймером после поступления на его вход 65536 импульсов, т.е. по прошествии интервала времени, примерно равного 55 мсек, что соответствует частоте срабатывания таймера, примерно равной 18,2 Гц. В случае, если интервал времени срабатывания таймера должен иметь меньшее значение, чем 55 мсек, то в счетчик таймера необходимо занести код, соответствующий числу импульсов N, вычисляемому по формуле
где F — требуемое значение частоты срабатывания таймера, причем долно выполняться неравенство F > 18,2 Гц. Например, для F = 72,8 Гц получим, что N = 16389,8; округляя, получим, что в счетчик таймера должен быть занесен двоичный код 0 100 000 000 000 110.
производится следующим образом. Сначала МП х86 должен выполнить команду программы, которая производит передачу в порт таймера с шестнадцатеричным номером40h требуемый двоичный код. Затем МП х86 должен выполнить команду программы, которая производит передачу в порт таймера с шестнадцатеричным номером 43h байта, в котором указывается номер программируемого канала таймера, режим работы этого канала и количество передаваемых в счетчик таймера байтов — 1 или 2. После этого в запрограммированном канале таймера немедленно начинает функционировать сначала схема управления занесением кода в счетчик таймера и затем сам счетчик таймера в соответствии с полученным заданием.
Рис.1. Схема таймера в ПЭВМ IBM PC для канала "0"
Рассмотрим теперь работу программы, которую обычно называют интервальным таймером. Необходимость использования этой программы определяется тем обстоятельством, что в большинстве типов ЭВМ, в том числе и в ЭВМ типа IBM PC, используется только один таймер, хотя во многих случаях при функционировании достаточно сложных программ возникает необходимость организации нескольких параллельно существующих программ, которые должны быть включены в различные заранее опре деленные моменты времени. Один из возможных способов организации интервального таймера состоит в следующем. Этой программой, для управления процессом параллельного выполнения нескольких программ, в оперативной памяти составляется таблица, в которой для каждой из этих программ выделяется несколько строк, содержащих следующие параметры:
адрес начала i-й программы;
значение Т(i) интервала времени, по истечении которого должна быть включена эта программа, причем отсчет этого интервала начинается с момента организации интервальным таймером этой программы;
текущее значение интервала времени t(i), по истечении которого должна быть включена эта программа;
признак c(i) режима включения этой программы — циклический или разовый (пусть, например, с(i)=0 для разового режима).
Кроме того, в этой таблице должна быть еще одна строка, общая для всех программ, в которой содержится значение интервала времени Т, которое задано для текущего включения таймера. Тогда при каждом включении программы-обработчика прерывания от таймера в этой таблице корректируются все интервалы времени, величина которых больше нуля, путем уменьшения их значений на величину Т. Если после корректировки окажется, что для каких-то программ величина t(i)=0 или t(i)Лекция N 3
Концепции процесса
Для работы многопользовательских ОС весьма важным является понятие процесса, его дискретных состояний и возможностей перехода процесса из состояния в состояние. Существует много определений понятия процесса и одним из самых наглядных является следующее: процесс — это программа в стадии выполнения.В период своего существования процесс проходит через ряд диск ретных состояний. Смену состояний процесса могут вызывать различные события. Для предстоящего рассмотрения ограничимся следующими состояниями процесса:
порождение — пользователь выдал запрос на обслуживание;
готовность — задание подготовлено соответствующими модулями ОС к выполнению, но еще не выделен ресурс "процессорное время";
выполнение — процессу выделен центральный процессор (ЦП) и задание этого процесса выполняется;
ожидание (блокирован) — процесс вступил в эту фазу из фазы "вы полнение" и ожидает наступления некоторого события, например, окон чания считывания массива данных из дисковой памяти;
завершение — процесс завершил свою работу в плановом порядке или аварийно; причины аварийного завершения могут быть различными, например, при выполнении команды деления в задаче делитель оказался равным нулю и т.д.
Для простоты будем рассматривать ЭВМ с одним ЦП, хотя все приведенные ниже рассуждения можно распространить и на мультипроцессорную систему. В ЭВМ с одним ЦП в каждый момент времени может выполняться только один процесс, однако при этом несколько процессов могут находиться в стадии готовности и несколько других процессов — в стадии ожидания. Поэтому может быть создан список готовых к выполнению процессов и список ожидающих процессов. Список готовых процессов упорядочен по приоритету, так что следующим процессом, получающим в свое распоряжение ЦП, будет первый процесс этого списка. Список заблокированных процессов не упорядочен, так как разблокировка процессов осуществляется в том порядке, в котором происходят ожидаемые ими события.Переход из фазы "выполнение" в фазу "готовность" происходит в случае, если закончился квант времени, выделенный процессу. Переход из фазы "выполнение" в фазу "ожидание" происходит при запросе процесса на обмен с каким-то внешним устройством или при ожидании процессом некоторых данных, которые он должен получить от другого процесса, а также в периоды пиковой нагрузки для освобождения ресурсов.Переход из стадии "ожидание" в стадию "завершение" может произойти, например, в случае, если запрошенный на диске файл там отсутствует. Переход из фазы "ожидание" в фазу "готовность" происходит после того, как запрошенный процессом обмен с внешним устройством успешно завершился. Граф (диаграмма) переходов процесса из состояния в состояние изображен на рис.1.
Рис.1. Граф переходов процесса из состояния в состояние
Блок управления процессом
Представителем процесса в ОС является блок управления процессом (БУП). Это структура данных, содержащая определенную авжную информацию о процессе, в том числе:
текущее состояние процесса;
уникальный идентификатор процесса;
приоритет процесса;
указатели памяти процесса;
указатели выделенных процессу ресурсов;
область сохранения регистров.
Когда ОС переключает ЦП с одного процесса на другой, она использует области сохранения регистров, предусмотренные в БУП, чтобы запомнить информацию,необходимую для рестарта (повторного запуска) каждого процесса, когда этот процесс в следующий раз получит в свое распоряжение ЦП.
Операции над процессами
ОС, управляющие процессами, должны иметь возможность выполнять определенные операции над процессами, в том числе:
создание (образование) процесса;
уничтожение процесса;
возобновление процесса;
изменение приоритета процесса;
блокирование процесса;
пробуждение процесса;
запуск (выбор) процесса.
Создание процесса состоит из многих операций, включая:
присвоение имени процессу;
определение начального приоритета процесса;
формирование БУП;
выделение процессу начальных ресурсов.
Процесс может породить новый процесс. В этом случччае порождающий процесс называется родительским, а второй, созданный процесс — дочерним. У любого родительского процесса может быть несколько дочерних, но у любого дочернего — только один родительский.

Все операции, связанные с процессами, выполняются под управлением той части ОС, которая входит в состав ее ядра. Это лишь небольшая, но наиболее интенсивно используемая часть ОС, поэтому ядро обычно резидентно размещается во внутренней памяти ЭВМ, в то время как другие части ОС перемещаются из внешней памяти во внутреннюю и обратно по мере необходимости.Одной из самых важных функций ядра является обработка прерываний. В больших многоабонентских системах и системах реального времени интенсивность потока прерываний достаточно велика, поэтому быстрая реакция на эти прерывания весьма важна с точки зрения полноты использования ресурсов систем и обеспечения приемлемой реакции систем реального времени.
Ядро ОС обычно содержит программы для реализации следующих функций:
обработка прерываний;
создание и уничтожение процессов;
переключение процессов из состояния в состояние;
организация взаимодействия между процессами, в том числе синхронизация процессов;
поддержка операций ввода-вывода;
поддержка распределения и перераспределения памяти;
поддержка работы файловой системы;
поддержка механизмов вызова-возврата при обращении к процедурам ОС;
поддержка функций по ведению учета работы ЭВМ и ВС в целом.
Вход в ядро обычно осуществляется по прерыванию; когда ядро реагирует на прерывание, то запрещаются другие прерывания. После предварительной обработки дальнейшая обработка прерывания передается системному процессу, при этом обычно вновь разрешаются прерывания.

Процесс получает возможность выполнять конкретную работу, когда в его распоряжение выделяется физический ЦП; при наличии нескольких процессов, конкурирующих за ресурсы, в том числе за ЦП, это выделе-ние является достаточно сложной проблемой, которая решается ОС. Сама проблема получила название "планирование загрузки процессоров".

Для ЭВМ 2-го и отчасти 3-го поколений основным режимов функционирования была пакетная обработка. Суть ее состояла в том, что из задач, сданных пользователями для решения на ЭВМ и введенных в нее оператором этой машины, ОС формировала так называемые задания. В любой момент времени задание состояло из нескольких задач. Поэтому для рассматриваемых ОС можно было говорить одвух уровнях планирования загрузки ЦП:
долгосрочном планировании, или планировании на верхнем уровне, при котором ОС решала сложную проблему набора таких задач в задание (т.е. формирования пакета задач), чтобы обеспечить достаточно высокую загрузку ЦП;
краткосрочном, или диспетчерском планировании, т.е. планировании на нижнем уровне самих процессов.
Учитывая, что в настоящее время мультипрограммные ОС используются главным образом в режиме разделения времени, будем рассматривать только проблемы краткосрочного планирования.
Основные цели планирования
Дисциплина планирования должна:1. быть "справедливой", т.е. одинаково относиться ко всем процессам и не задерживать достаточно долго обслуживание какого-то процесса;2. обеспечивать максимальную пропускную способность системы, т.е. обслуживать максимальное число процессов в единицу времени;
3. обеспечивать максимальному числу пользователей приемлемые времена ответа.

Оцените статью
Добавить комментарий