Занятие по усвоению нового материала на тему: Прерывания

Специальность: 09.02.03 Программирование в компьютерных системах

                             09.02.01 Компьютерные системы и комплексы

Преподаватель: Машенцева Г.В.

Дисциплина: ОП.01 Операционные системы

                     ОП.07 Операционные системы и среды

Тема раздела: Раздел 2. Архитектуры современных операционных систем

Тема занятия: Прерывания.

Тип занятия: Занятие по усвоению нового материала

Вид занятия: комбинированный

Цель курса:

Формируемые общие компетенции:

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

Цель занятия:  формирование ОК через освоение студентами  её компонентов    

Задачи урока:

Обучающая:

·   Сформировать у учащихся понятия «прерывания», «маски ».

·   Ознакомить учащихся с механизмом обработки прерываний , показать приоритеты прерываний.

·   Показать роль практики как источника развития знаний и критерия истины.

·   Формирование мотивации и опыта учебно-познавательной и практической деятельности.

Развивающая:

· способствовать развитию умения анализировать, выдвигать гипотезы, предположения, строить прогнозы, наблюдать и экспериментировать;

·способствовать развитию логического мышления;

· развитие умения выражать речью результаты собственной мыслительной деятельности.

Воспитательная:

·   способствовать формированию научного мировоззрения;

·   способствовать воспитанию: ответственного отношения к труду; культуры мышления и речи;

·    пробуждение познавательного интереса к предмету и окружающим явлениям;

·   развитие способности к сотрудничеству, общению, работе в коллективе;

·   формирование умений  критически, но объективно оценивать предметы, явления, поступки и действия (свои и чужие).

Междисциплинарные  связи: информатика, архитектура.

Технологии обучения: Технология  развития критического мышления

Методы и приемы: наглядное представление учебного материала, аудиосредства, презентация.

План проведения занятия:

1.                       Организация начала урока (2 мин.);

2.                       Активизация знаний (15 мин)

3.                       Формирование новых знаний и умений (45мин.);

4.                       Закрепление изученного (15 мин)

5.                       Подведение итогов урока (2 мин.).

6.                       Домашнее задание 1 мин.

Ход занятия.

1.                              Организация начала урока

Добиться дисциплины. Проверить готовность студентов к уроку. Мобилизовать внимание.

2.Актуализация знаний

индивидуальные задания по карточкам

2. Формирование новых знаний и умений

                             Обработка прерываний

Понятие прерывания

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать па­раллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Таким образом, прерывание — это принудительная передача управления от выполняе­мой программы к системе (а через нее — к соответствующей программе обработ­ки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

. Основная цель введения прерываний — реализация асинхронного режима работы 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.

Последовательность действий при обработке прерываний

Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной системы включает следующие элементы:

Шаг1.  Установление факта прерывания (прием сигнала на прерывание) и иденти­фикация прерывания (в операционных системах иногда осуществляется по­вторно, на шаге 4).

Шаг 2.  Запоминание состояния прерванного процесса. Состояние процесса определя­ется прежде всего значением счетчика команд

Шаг 3.  Управление аппаратно передается подпрограмме обработки прерывания. В про­стейшем случае в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры — информация из сло­ва состояния.

Шаг 4.  Сохранение информации о прерванной программе,. В некоторых вычислитель­ных системах предусматривается запоминание довольно большого объема информации о состоянии прерванного процесса.

Шаг 5.  Обработка прерывания.

Шаг 6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу

Шаг 7.  Возврат в прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, а шаги 4-7 — программно.

На рис. 1.4 показано, что при возникновении запроса на прерывание естествен­ный ход вычислений нарушается и управление передается программе обработ­ки возникшего прерывания. При этом средствами аппаратуры сохраняется адрес той команды, с которой следует продолжить выполнение прерванной программы. После выполнения про­граммы обработки прерывания управление возвращается прерванной ранее про­грамме посредством занесения в указатель команд сохраненного адреса команды. Однако такая схема используется только в самых простых программных средах.

Главные функции механизма прерываний:

· распознавание или классификация прерываний;

· передача управления соответственно обработчику прерываний;

· корректное возвращение к прерванной программе.

Переход от прерываемой программы к обработчику и обратно должен выпол­няться как можно быстрей. Одним из 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.

Классы прерываний

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:

 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 нуль; при переполнении или исчезновении порядка;

·   при обнаружении ошибок четности, ошибок в работе различных устройств аппаратуры средствами контроля.

Могут еще существовать прерывания при обращении к супервизору ОС — в не­которых компьютерах часть команд может использовать только ОС, а не пользо­ватели. Соответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и пользовательские программы выполняются в режиме, в котором эти привиле­гированные команды не исполняются. При попытке использовать команду, за­прещенную в данном режиме, происходит внутреннее прерывание и управление передается супервизору ОС. К привилегированным командам относятся и ко­манды переключения режима работа центрального процессора.

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. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на системные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а точно таким же образом, как и обычное прерывание. Этим обеспечивается автоматическое переключение процессора в привилегиро­ванный режим с возможностью исполнения любых команд.

Приоритеты прерываний

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. Очевидно, что прерывания от схем контроля процессора должны обла­дать наивысшим приоритетом (если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обработку информации). На рис. 1.5 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.

Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдель­ных сигналов прерывания. Программное управление этими средствами (сущест­вуют специальные команда для управления работой системы прерываний) по­зволяет операционной системе регулировать обработку сигналов прерывания, заставляя процессор обрабатывать их сразу по приходу, откладывать их обработ­ку на некоторое время или полностью игнорировать. 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 об­служивания 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 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 маски ни на один сигнал прерывания и не выключать систему прерываний.

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 на другой.

Стандартные программы обработки прерываний

 Из рис. 1.4 видно, что в подпро­грамме обработки прерывания имеются две служебные секции. Это — первая секция, в которой осуществляется сохранение контекста прерванной задачи, ко­торый не смог быть сохранен на 2-м шаге, 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.. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обра­ботки прерываний, во многих операционных системах первые секции подпро­грамм обработки прерываний выделяются в 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 этой подпрограмме, супервизор прерываний устанавливает необходимый режим обработки прерыва­ния. После выполнения подпрограммы обработки прерывания управление вновь передается супервизору, на этот раз уже на тот модуль, который занимается дис­петчеризацией задач  И уже диспетчер задач, в свою очередь, в соответствии с принятым режимом распределения процессорного времени (между выполняю­щимися процессами) восстановит контекст той задачи, которой будет решено выделить процессор. Рассмотренная нами схема проиллюстрирована на рис. 1.6.

Как мы видим из рис здесь нет непосредственного возврата в прерванную ранее программу непосредственно из самой подпрограммы обработки прерыва­ния. Для прямого непосредственного 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 (last come — first served).

В конкретных процессорах и в конкретных ОС могут существовать некоторые отступления от рассмотренной схемы и/или дополнения к ней. Например, в современных процессорах часто имеются специальные аппаратные возможности для сохранения контекста прерываемого процесса непосредственно в его дескрипторе, то есть дескриптор про­цесса (по крайней мере его часть) становится структурой данных, которую под­держивает аппаратура.

Для полного понимания принципов создания и механизмов реализации рассмат­риваемых далее современных ОС необходимо знать архитектуру персональных компьютеров и, в частности, особенности системы прерывания.

Вектор прерываний

(Работа системы прерываний в реальном режиме работы процессора)

В реальном режиме работы система прерываний использует понятие вектора прерывания. Термин «вектор прерываний» используется потому, что для указания адреса используется не одно значение, а два, то есть мы имеем дело не со скалярной величиной, а с «векторной».

Итак, каждый вектор прерываний состоит из 4 байтов или 2 слов: первые два содержат новое значение для регистра IP, а следующие два — новое значение регистра CS. Таблица векторов прерываний занимает 1024 байта. Таким образом, в ней может быть задано 256 векторов прерываний. В процессоре 18086 эта таб­лица располагается на адресах OOOOOH-003FFH. Расположение этой таблицы в про­цессорах i80286 и старше определяется значением регистра IDTR — Interrupt Descriptor Table Register. При включении или сбросе процессора i80x86 этот ре­гистр обнуляется. Однако при необходимости можно в регистре IDTR указать смещение и, таким образом, перейти на новую таблицу векторов прерываний.

Таблица векторов прерываний заполняется (инициализируется) при запуске сис­темы, но в принципе может быть изменена или перемещена.

Каждый вектор прерывания имеет свой номер, называемый номером прерыва­ния, который указывает его место в таблице. Этот номер, помноженный на четы­ре (сдвиг на два разряда влево и заполнение освободившихся битов нулями), и сложенный с содержимым регистра IDTR, дает абсолютный адрес первого бай­та вектора в оперативной памяти.

Подобно вызову процедуры, прерывание заставляет микропроцессор сохранить в стеке информацию для последующего возврата, а затем перейти к группе ко­манд, адрес которых определяется вектором прерывания. Таким образом, преры­вание вызывает косвенный переход к своей подпрограмме обработки за счет по­лучения ее адреса из вектора прерывания.

Вложенные прерывания.

Запрещение пре­рываний на время обслуживания любого периферийного устройства может привести к потере запросов прерываний быстродействующих, высокоприоритетных устройств, появ­ляющихся при обслуживании устройств с меньшими приори­тетами. Чтобы исключить такую ситуацию и обеспечить быструю реакцию процессора на прерывание, необходимо решить две проблемы:

1.каким-либо образом очень быстро идентифицировать за­прос прерывания устройства с максимальным приоритетом из имеющихся запросов прерываний;

2.Фиксировать текущий приоритет (порог) любой выпол­няемой процессором программы (в том числе и всех под­программ обслуживания прерываний) и разрешать ее пре­рывание только при возникновении запроса прерывания с большим приоритетом.

Прерывание подпрограмм обслуживания прерываний называется вложением прерываний (рис. 5-9). До момента ti выполняется основная программа, которой назначается наименьший приоритет, чтобы процессор реагировал на лю­бые прерывания. В момент ti запрашивает обслуживания устройство У4 и процессор переходит на его подпрограмму обслуживания. В свою очередь, эта подпрограмма преры­вается в момент iz запросом от устройства УЗ с более вы­соким приоритетом. Подпрограмма обслуживания УЗ в мо­мент t3 прерывается запросом устройства У2 с еще более высоким приоритетом, и по завершении обслуживания У2 в момент t4 управление возвращается к продолжению обслу­живания устройства УЗ. В интервале t5 —t6 аналогичным образом обслуживается запрос устройства У1 с максималь­ным приоритетом, после чего управление последовательно возвращается к прерванным подпрограммам обслуживания устройства УЗ и У4. Наконец, в момент t8 возобновляется выполнение основной программы. Разумеется, чтобы процессор реагировал на запросы прерываний, в начале каж­дой подпрограммы обслуживания их необходимо разрешать командой EI.

Подведение итогов урока

1 .Определение прерываний.

2. Классы .

3. Основные характеристики .

4.Стандартные программы обработки прерываний.

Домашнее задание: стр. 18-25 Левин