Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛА»

Кафедра теоретической физики.

Реферат на тему:

«Прерывания и исключения»

Студента 5 курса физико-технического факультета

Пецевича Андрея Ивановича

Гродно 2014

• 1. Прерывания
• 1.1 Oбрабoтка прерываний
• 1. Внешние
• 2. Внутренние
• 3. Программные
• 1.2 Векторы прерываний
• 1.4 Типы прерываний
• 2. Исключения
• 2.3 Обработчики исключений

1. Прерывания

1.1 Oбрабoтка прерываний

Прерывание - это сигнал, который сигнализирует о совершении некоторого события в компьютере. При это ОС должна определенным образом отреагировать на данное прерывание. В зависимости от источника все прерывания делятся на три класса:

1. Внешние;

2. Внутренние;

3. Программные.

С каждым прерыванием связывают число, называемое номером типа прерывания или просто номером прерывания. Система умеет распознавать, какое прерывание, с каким номером оно произошло, и запускает соответствующую этому номеру программу обработки прерывания. Таким образом, при поступлении сигнала на прерывание происходит принудительная передача управления от выполняемой программы к системе, а через нее - к обработчику прерываний.

Например прерывание с номером 9 - прерывание от клавиатуры, которое генерируется при нажатии и при отжатии клавиши. Используется для чтения данных с клавиатуры. Обозначается в ОС как IRQ1, где IRQ - обозначение прерывания, а 1 - приоритет прерывания.

Обработчик прерываний - программа обработки прерывания, являющаяся частью ОС, предназначенная для выполнения ответных действий на условие, вызвавшее прерывание.

Предположим, что в момент поступления сигнала прерывания от некоторого источника программа А находится в решении. В результате управление автоматически передается обработчику прерываний. После завершения обработки управление может быть снова передано в ту точку программы А, где ее выполнение было прервано:

1.2 Векторы прерываний

Адреса программ, соответствующих различным прерываниям, собраны в таблицу, которая называется таблицей векторов прерываний.

Таблица векторов прерываний занимает первый килобайт оперативной памяти - адреса от 0000:0000 до 0000:03FF. Таблица состоит из 256 элементов - FАR-адресов обработчиков прерываний. Эти элементы называются векторами прерываний. В первом слове элемента таблицы записано смещение, а во втором - адрес сегмента обработчика прерывания. Векторами являются просто полные адреса памяти программы (в сегментированной форме), которая должна быть активизирована в случае возникновения прерывания.

Прерыванию с номером 0 соответствует адрес 0000:0000, прерыванию с номером 1 - 0000:0004 и т.д. Адрес такой состоит из пары 2-байтовых слов, поэтому каждый из векторов занимает четыре байта.

Можно просмотреть таблицу векторов прерываний в компьютере, если воспользоваться программой DЕBUG. Используйте команду D для вывода содержимого начала памяти: D 0:0. Программа DЕBUG покажет вам первые 128 байтов или 32 вектора, которые могут иметь вид наподобие следующего:

1.3 Механизм обработки прерываний

При обработке каждого прерывания должна выполняться следующая последовательность действий:

· Восприятие запроса на прерывание: прием сигнала и идентификация прерывания.

· Запоминание состояния прерванного процесса: определяется значением счетчика команд (адресом следующей команды) и содержимым регистров процессора.

· Передача управления прерывающей программе (в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы обработки прерываний, а в соответствующие регистры - информация из слова состояния процессора).

· Обработка прерывания.

· Восстановление прерванного процесса и возврат в прерванную программу.

Главные функции механизма прерывания:

1. распознавание или классификация прерываний.

2. передача управления соответственно обработчику прерываний.

3. корректное возвращение к прерванной программе (перед передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора запоминается либо в памяти с прямым доступом либо в системном стеке).

1.4 Типы прерываний

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить на 4 группы:

Аппаратные прерывания вызываются физическими устройствами и возникают по отношению к программе асинхронно, т.е. в общем случае невозможно предсказать, когда и по какой причине программа будет прервана.

Аппаратные прерывания не координируются с работой программного обеспечения. Когда вызывается прерывание, то процессор оставляет свою работу, выполняет прерывание, а затем возвращается на прежнее место.

Внешние прерывания возникают по сигналу какого-либо внешнего устройства например:

· Прерывание, которое информирует систему о том, что требуемый сектор диска уже прочитан, его содержимое доступно программе.

· Прерывание, которое информирует систему о том, что завершилась печать символа на принтере и необходимо выдать следующий символ.

· Прерывания по нарушению питания.

· Нормальное завершение некоторой операции ввода-вывода (нажатие клавиши на клавиатуре).

· Прерывание по таймеру.

Прерывание по таймеру вызывается интервальным таймером. Этот таймер содержит регистр, которому может быть присвоено определенное начальное значение посредством специальной привилегированной команды. Значение этого регистра автоматически уменьшается на 1 по истечении каждой миллисекунды времени. Когда это значение становятся равным нулю, происходит прерывание по таймеру. Подобный интервальный таймер используется операционной системой для определения времени, в течение которого программа пользователя может оставаться под управлением машины.

Маскируемые и немаскируемые внешние прерывания

Существуют два специальных внешних сигнала среди входных сигналов процессора, при помощи которых можно прервать выполнение текущей программы и тем самым переключить работу центрального процессора. Это сигналы NMI (Nоn Mаsсаblе Intеrrupt, немаскируемое прерывани)INTR (intеrrupt rеquеst, запрос на прерывание).

Соответственно внешние прерывания подразделяются на два вида: немаскируемые и маскируемые.

Часто при выполнении критических участков программ, для того чтобы гарантировать выполнение определенной последовательности команд целиком, приходится запрещать прерывания (т.е. сделать систему нечувствительной ко всем или отдельным прерываниям). Это можно сделать командой СLI. Ее нужно поместить в начало критической последовательности команд, а в конце расположить команду STI, разрешающую процессору воспринимать прерывания. Команда СLI запрещает только маскируемые прерывания, немаскируемые всегда обрабатываются процессором.

Таким образом, наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание исполняющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний: отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерываний. Прерывания, которые замаскировать нельзя - это немаскируемые прерывания.

Внутренние прерывания вызываются событиями, которые связаны с работой процессора и являются синхронными с его операциями, а именно прерывание происходит, когда:

· 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 не задействованной двоичной комбинации.

· при делении на нуль.

· при переполнении или исчезновении порядка.

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

Программные прерывания.

Программы могут сами вызывать прерывания с заданным номером. Для этого они используют команду INT. По этой команде процессор осуществляет практически те же действия, что и при обычных прерываниях, но только это происходит в предсказуемой точке программы - там, где программист поместил данную команду. Поэтому программные прерывания не являются асинхронными (программа "знает", когда она вызывает прерывание).

Программные прерывания в прямом смысле прерываниями не являются, поскольку представляют собой лишь специфический способ вызова процедур - не по адресу, а по номеру в таблице.

2. Исключения

Обработка исключительных ситуаций (exception handling) -- механизм языков программирования, предназначенный для описания реакции программы на ошибки времени выполнения и другие возможные проблемы (исключения), которые могут возникнуть при выполнении программы и приводят к невозможности (бессмысленности) дальнейшей отработки программой её базового алгоритма. В русском языке также применяется более короткая форма термина: «обработка исключений».

прерывание исключение программа ошибка

2.1 Общее понятие исключительной ситуации

Во время выполнения программы могут возникать ситуации, когда состояние данных, устройств ввода-вывода или компьютерной системы в целом делает дальнейшие вычисления в соответствии с базовым алгоритмом невозможным или бессмысленными. Классические примеры подобных ситуаций приведены ниже Нулевое значение знаменателя при выполнении операции целочисленного деления. Результата у операции быть не может, поэтому ни дальнейшие вычисления, ни попытка использования результата деления не приведут к решению задачи. Ошибка при попытке считать данные с внешнего устройства. Если данные не удаётся ввести, любые дальнейшие запланированные операции с ними бессмысленны. Исчерпание доступной памяти. Если в какой-то момент система оказывается не в состоянии выделить достаточный для прикладной программы объём оперативной памяти, программа не сможет работать нормально. Появление сигнала аварийного отключения электропитания системы. Прикладную задачу, по всей видимости, решить не удастся, в лучшем случае (при наличии какого-то резерва питания) прикладная программа может озаботиться сохранением данных.Появление на входе коммуникационного канала данных, требующих немедленного считывания. Чем бы ни занималась в этот момент программа, она должна перейти к чтению данных, чтобы не потерять поступившую информацию.

2.2 Виды исключительных ситуаций

Исключительные ситуации, возникающие при работе программы, можно разделить на два основных типа: синхронные и асинхронные, принципы реакции на которые существенно различаются. Синхронные исключения могут возникнуть только в определённых, заранее известных точках программы. Так, ошибка чтения файла или коммуникационного канала, нехватка памяти -- типичные синхронные исключения, так как возникают они только в операции чтения из файла или из канала или в операции выделения памяти соответственно. Асинхронные исключения могут возникать в любой момент времени и не зависят от того, какую конкретно инструкцию программы выполняет система. Типичные примеры таких исключений: аварийный отказ питания или поступление новых данных. Некоторые типы ошибок могут быть отнесены как к синхронным, так и к асинхронным. Например, инструкция деления на нуль на многих программно-аппаратных платформах приводит к синхронному исключению, но на некоторых платформах за счёт глубокой конвейеризации исключение может оказаться асинхронным.

2.3 Обработчики исключений

В отсутствие собственного механизма обработки исключений для прикладных программ наиболее общей реакцией на любую исключительную ситуацию является немедленное прекращение выполнения с выдачей пользователю сообщения о характере исключения. Можно сказать, что в подобных случаях единственным и универсальным обработчиком исключений становится операционная система. Например, в операционную систему Windows встроена утилита Dr. Watson, которая занимается сбором информации об необработанном исключении и ее отправкой на специальный сервер компании Microsoft. Возможно игнорирование исключительной ситуации и продолжение работы, но такая тактика опасна, так как приводит к ошибочным результатам работы программ или возникновению ошибок впоследствии. Например, проигнорировав ошибку чтения из файла блока данных, программа получит в своё распоряжение не те данные, которые она должна была считать, а какие-то другие. Результаты их использования предугадать невозможно. Обработка исключительных ситуаций самой программой заключается в том, что при возникновении исключительной ситуации, управление передаётся некоторому заранее определённому обработчику -- блоку кода, процедуре, функции, которые выполняют необходимые действия. Существует два принципиально разных механизма функционирования обработчиков исключений.

Обработка с возвратом подразумевает, что обработчик исключения ликвидирует возникшую проблему и приводит программу в состояние, когда она может работать дальше по основному алгоритму. В этом случае после того, как выполнится код обработчика, управление передаётся обратно в ту точку программы, где возникла исключительная ситуация (либо на команду, вызвавшую исключение, либо на следующую за ней, как в некоторых старых диалектах языка BASIC) и выполнение программы продолжается. Обработка с возвратом типична для обработчиков асинхронных исключений (которые обычно возникают по причинам, не связанным прямо с выполняемым кодом), для обработки синхронных исключений она малопригодна.

Обработка без возврата заключается в том, что после выполнения кода обработчика исключения управление передаётся в некоторое, заранее заданное место программы, и с него продолжается исполнение. Существует два варианта подключения обработчика исключительных ситуаций к программе: структурная и неструктурная обработка исключений.

Неструктурная обработка исключений. Неструктурная обработка исключений реализуется в виде механизма регистрации функций или команд-обработчиков для каждого возможного типа исключения. Язык программирования или его системные библиотеки предоставляют программисту как минимум две стандартные процедуры: регистрации обработчика и разрегистрации обработчика. Вызов первой из них «привязывает» обработчик к определённому исключению, вызов второй -- отменяет эту «привязку». Если исключение происходит, выполнение основного кода программы немедленно прерывается и начинается выполнение обработчика. По завершении обработчика управление передаётся либо в некоторую наперёд заданную точку программы, либо обратно в точку возникновения исключения (в зависимости от заданного способа обработки -- с возвратом или без). Независимо от того, какая часть программы в данный момент выполняется, на определённое исключение всегда реагирует последний зарегистрированный для него обработчик. В некоторых языках зарегистрированный обработчик сохраняет силу только в пределах текущего блока кода (процедуры, функции), тогда процедура разрегистрации не требуется.

Неструктурная обработка -- практически единственный вариант для обработки асинхронных исключений, но для синхронных исключений она неудобна: приходится часто вызывать команды установки/снятия обработчиков, всегда остаётся опасность нарушить логику работы программы, пропустив регистрацию или разрегистрацию обработчика.

Структурная обработка исключений. Структурная обработка исключений требует обязательной поддержки со стороны языка программирования -- наличия специальных синтаксических конструкций. Такая конструкция содержит блок контролируемого кода и обработчик (обработчики) исключений. Принципиальное отличие блока с гарантированным завершением от обработки -- то, что он не обрабатывает исключение, а лишь гарантирует выполнение определённого набора операций перед тем, как включится механизм обработки. Стоит заметить, что блок с гарантированным завершением легко реализуется с помощью команд «возбудить исключение» и «структурный обработчик исключения».

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Предотвращение или выявление ошибочных ситуаций в ходе выполнения программы. Стандартная обработка исключений, программные средства. Назначение программных блоков try, catch, final. Главные особенности конфигурирования исключений с помощью флажков.

лекция , добавлен 09.12.2013


Принципы и алгоритмы обработки прерываний. Набор действий по реализации этапов обработки прерываний микропроцессора. Разработка структуры и алгоритма резидентной программы. Реализация программы на языке Ассемблер, методы её отладки и тестирования.

курсовая работа , добавлен 22.12.2014


Изучение понятия, векторов и механизмов обработки прерываний; их классификация в зависимости от источника происхождения. Особенности реагирования аппаратной и программной частей операционной системы на сигналы о совершении некоторого события в компьютере.

реферат , добавлен 22.06.2011


Прерывание и его природа. Контролер прерываний. Обработка прерываний в реальном режиме. Характеристики реального режима работы микропроцессора. Схема обработки прерываний в реальном режиме. Написание собственного прерывания. Разработка в общем случае.

доклад , добавлен 22.09.2008


Проектирование механизма обработки прерываний. Контроллер прерываний Intel 82C59A. Ввод-вывод по прерыванию. Программируемый контроллер интерфейса Intel 82C55A. Роль процессора в обработке прерывания ввода-вывода. Обзор алгоритма обработки прерывания.

контрольная работа , добавлен 19.05.2010


Виртуальные функции, статические и абстрактные классы, шаблоны: элементы и члены класса, их роль в объектно-ориентированном программировании; механизм осуществления виртуального вызова при выполнении программы; обработка исключительных ситуаций в C++.

реферат , добавлен 06.12.2010


Фаза "избавления" программы от ошибок. Задача обработки ошибок в коде программы. Ошибки с невозможностью автоматического восстановления, оператор отключения. Прекращение выполнения программы. Возврат недопустимого значения. Директивы РНР контроля ошибок.

учебное пособие , добавлен 27.04.2009


Написание алгоритма приема 10 пакетов по 12 байт из последовательного порта и размещение их в памяти PRAM. Создание управляющего блока PTSCB для режима блоковой передачи данных. Аппаратная обработка прерываний в режима аналого-цифрового сканирования.

практическая работа , добавлен 25.04.2012


Коды, обрабатывающие исключения, информация о причине их возникновения. Способы обработки исключений. Механизмы обработки исключений. Инициализация ссылки на объект. Конструкторы стандартных исключений. Автоматическая и программная генерации исключений.

презентация , добавлен 21.06.2014


Принципы организации и особенности обработки прерываний на основе контроллера 8259A. Общая характеристика аппаратных средств системы прерываний PIC (Programmable Interrupt Controller). История разработки и порядок работы с технологией Plag and Play.

11 ответов

Перехват - это сигнал ЦП, генерируемый аппаратным обеспечением, или конкретные инструкции ЦП. Это вызывает выполнение обработчиков interupt. Такие вещи, как сигналы ввода-вывода от оборудования ввода/вывода, генерируют прерывания.

Исключение можно рассматривать как программную версию interupt, которая влияет только на ее процесс.

Я не уверен в деталях, но исключение может быть реализовано с помощью interupt.

В вашем процессоре будет несколько внешних контактов прерываний. Обычно эти контакты подключаются к аппаратным средствам и используются для указания того, когда происходит какое-то внешнее событие. Например, если вы используете последовательный порт, UART будет поднимать рейк, который подключен к одному из выводов прерывания на процессоре, чтобы указать, что байт получен.

Другие периферийные устройства, такие как таймеры, контроллеры usb и т.д., также будут генерировать прерывания на основе некоторого внешнего события.

Когда процессор получает сигнал на одном из внешних контактов прерываний, он сразу же переходит в какое-то назначенное место в памяти и начинает выполнение. Выполненный код обычно называется ISR или программой обслуживания прерываний. Если вы не внедряете драйверы или не выполняете встроенное программное обеспечение, вряд ли вы столкнетесь с ISR.

К сожалению, ответ на вопрос об исключениях немного менее ясен - в других ответах на этой странице было три разных значения.

Ответ Ron Savage относится к конструкции программного обеспечения. Это чисто исключение на уровне приложения, где часть кода может указывать на ошибку, которая может быть обнаружена каким-либо другим фрагментом кода. Здесь вообще нет участия в оборудовании.

Затем возникает исключение, рассматриваемое задачей. Это конструкция уровня операционной системы, которая используется для уничтожения задачи, когда она делает что-то незаконное - например, деление на 0, незаконный доступ к памяти и т.д.

И, в-третьих, есть аппаратное исключение. С точки зрения поведения он идентичен прерыванию в том, что процессор немедленно перейдет в некоторую назначенную ячейку памяти и начнет выполнение. Если исключение отличается от прерывания, это исключение вызвано некоторой незаконной деятельностью, обнаруженной процессором. Например, MMU на процессоре обнаружит незаконный доступ к памяти и вызовет исключение. Эти аппаратные исключения являются начальным триггером для операционной системы для выполнения задач очистки (как описано в параграфе выше).

Прерывания генерируются устройствами, внешними по отношению к ЦП (тик таймера, завершение работы диска, прибытие сетевого пакета и т.д.) и асинхронный с выполнением программы. Исключения составляют синхронно с выполнением программы (например, деление на ноль, обращение к недопустимому адресу).

Если ваша программа не работает без операционной системы (или вы разрабатываете ОС), она никогда не увидит необработанное исключение/прерывание. Они попадают под ОС и обрабатываются им (прерывания) или преобразуются в какую-либо другую форму перед отражением обратно в пользовательскую программу (например, сигналы в UNIX, обработка структурированных исключений (SEH) в Windows), где у нее есть возможность обработки он.

Прерывания указывают на то, что что-то внешнее по отношению к ядру процессора требует внимания. Он прерывает нормальный поток программы, выполняет процедуру обслуживания прерываний (ISR) и обычно возвращается туда, где он был до того, как произошло прерывание.

Существует множество вариантов этой основной темы: прерывания могут быть сгенерированы программным обеспечением, другая задача может получить процессор после ISR и т.д. Ключевым моментом является то, что прерывания могут возникать в любое время по причине кода/У CPU нет контроля над .

Исключение немного сложнее определить, поскольку оно имеет потенциально три уровня значения:

Исключения оборудования

Некоторые процессоры (например, PowerPC) определяют исключения, указывающие на то, что произошло какое-то необычное условие: System Reset, Invalid Address, некоторая ошибка кэширования перевода виртуального адреса и т.д.

Эти исключения также используются для реализации контрольных точек и системных вызовов. В этом случае они действуют почти как прерывания.

Исключения ОС

Некоторые из аппаратных исключений будут обрабатываться ОС. Например, ваша программа обращается к недопустимой памяти. Это вызовет аппаратное исключение. У ОС есть обработчик для этого исключения, и вероятность того, что ОС отправит в ваше приложение сигнал (например, SIGSEGV), отметив, что есть проблема.

Если в вашей программе установлен обработчик сигналов, обработчик сигнала будет работать и, надеюсь, справится с ситуацией. Если у вас нет обработчика сигнала, программа может быть завершена или приостановлена.

Я бы рассматривал window Structured Exception Handlers (SEH) как исключение этого типа.

Исключения программного обеспечения

Некоторые языки, такие как Java, С++ и С#, имеют концепцию программных исключений, где язык обеспечивает обработку непредвиденных или необычных условий, связанных с работой программы. В этом случае исключение возникает в какой-то момент кода, а некоторый код выше в стеке выполнения программы "ломает" исключение и выполняет. Это то, что делают блоки try/catch.

Исключением является то, что процессор выполняет код, который не находится на его обычном пути. Это "исключение" для нормальной работы, которое по существу является линейным движением через кодовые и управляющие структуры. Различные языки поддерживают различные типы исключений, обычно используемые для обработки ошибок во время работы программы.

Прерывание

Прерывание является исключением на аппаратном уровне (обычно). Прерывание - это физический сигнал в процессоре, который сообщает CPU сохранять текущее состояние и переходить на прерывание (или исключение). После выполнения обработчика исходное состояние восстанавливается и обработка может продолжаться.

Прерывание всегда является исключением, даже если оно предназначено. Прерывания могут указывать:

• такие как нарушение доступа к памяти
• чтобы ОС выполняла операцию для поддержки запущенной программы, например, прерывания программного обеспечения или запроса подкачки памяти
• аппаратное устройство требует внимания, такого как принятый сетевой пакет, или пустой буфер передачи

Они всегда заставляют процессор приостанавливать свою текущую активность, чтобы справиться с поднятым исключением, только возобновляя работу после завершения обработчика прерываний.

Ловушки

В терминах прерываний общие ошибки являются условиями гонки. Например, у вас может быть прерывание, которое периодически увеличивает глобальные часы реального времени. Часы могут быть 64 бит на 32-битной машине.

Если программа считывает часы и получает первое 32-битное слово, то прерывание происходит, как только обработчик прерывания выходит из процесса, получает второе 32-битное слово, и данные будут некогерентными - эти два слова могут быть не синхронизировано. Если вы попытаетесь использовать мьютекс или семафор, чтобы заблокировать переменную в этом процессе, прерывание остановится в ожидании блокировки и остановит систему (тупик), если только обработчик и процессы, которые используют данные, написаны очень тщательно. Легко попасть в неприятности при записи прерываний.

Функции повторного входа также являются еще одной проблемой. Если вы выполняете funcA в программном коде, выполняйте прерывание, которое также выполняет funcA, вы можете получить непредвиденные последствия из-за общих переменных (статические или переменные кучи, классы и т.д.). Обычно вы выполняете как можно меньше кода в обработчике прерываний и часто устанавливаете флаг, чтобы процесс мог выполнять настоящую работу позже, не беспокоясь о конфликтах.

В некотором роде это похоже на разработку для многопроцессора и является одной из причин, по которым программирование ядра по-прежнему считается черной магией.

Я расскажу о том, что такое прерывание, потому что есть один критический тип прерывания, с которым никто еще не справился: таймер.

Но сначала позвольте мне вернуться. Когда вы получаете прерывание, выполняется ваш обработчик прерываний (который живет в kernelspace), который обычно отключает прерывания, видит любой ожидающий бизнес (обрабатывает только что поступивший пакет, обрабатывая нажатие клавиши и т.д.), А затем (помните, что мы "все еще в ядре на данный момент) определяет, какой процесс должен запускаться следующим (может быть одним и тем же, может быть другим, зависит от планировщика), а затем запускать его.

Только один процесс выполняется на процессоре в любой момент времени. И когда вы используете многозадачную ОС, способ переключения между ними называется контекстным переключателем - в основном, регистры процессора выгружаются в память, поток переходит к новому процессу, и когда процесс выполняется, вы переключаете контекст на что-то иначе.

Итак, скажем, я пишу простую программу на С, которая подсчитывает все числа или последовательность Фибоначчи или что-то еще без остановки. Или еще лучше: ничего не происходит, кроме спины внутри (1) цикла. Как другие процессы в системе получают возможность запускать? Что делать, если ничего не происходит, чтобы вызвать прерывание?

Ответ заключается в том, что у вас есть устройство таймера, которое постоянно прерывается. И это то, что удерживает процесс прядения от снятия всей системы. Хотя я буду замечать, что обработчики прерываний отключают прерывания, поэтому, если вы делаете что-то, что блокирует неограниченное время, вы можете удалить всю систему.

Ожидается, что прерывания будут происходить регулярно (хотя иногда они не являются регулярными). Они прерывают процессор, потому что что-то важное произошло, и об этом нужно немедленно позаботиться.

Исключения должны быть исключениями к правилу; они брошены программным обеспечением, потому что произошло что-то неожиданное, и это ваш шанс попытаться что-то сделать, или, по крайней мере, сбой изящно.

Сохранение простых вещей...

Когда вы закончите обработку прерывания, вы (обычно) возвращаетесь к тому, что делали до того, как прервались.

Обработка исключения включает в себя отбрасывание последовательных уровней того, над которым вы в настоящее время работаете, до тех пор, пока вы не достигнете уровня, в котором исключение можно обработать (поймать).

При обработке прерывания вы можете решить исключение, но это не значит, что вы должны рассматривать прерывание как исключение. Исключения не "прерывают" (так как это подразумевает возможность возврата к тому, что вы делали непосредственно перед тем, как вас прервали); скорее, они "прерывают" (некоторые подмножества) вашу текущую деятельность.

И, как уже отмечалось несколько раз, прерывания обычно запускаются внешними объектами, такими как аппаратные средства или пользователи (например, щелчок мышью или нажатие клавиши, например CTRL-C), в то время как исключения генерируются (выбрасываются) синхронно с помощью программного обеспечения, обнаруживающего "проблему" "или" исключительное условие ".

При работе микропроцессорной системы часто возникают ситуации, когда требуется прервать выполнение текущей программы и перейти к подпрограмме, обеспечивающей необходимую реакцию системы на создавшиеся обстоятельства. Такие ситуации называются прерываниями (илиисключениями) в зависимости от причин, вызывающих их возникновение. В данной главе мы рассмотрим механизмы возникновения и обработки прерываний на примере процессоров семействаix86, поскольку именно здесь реализованы многие из этих механизмов. В конце главы упомянуты особенности, характерные для других типов процессоров.

$.1. Виды прерываний и исключений, реализация их обслуживания

Прерываниями (interruption) являются штатные ситуации, возникающие при поступлении соответствующих инструкций (программные прерывания) или внешних сигналов (аппаратные прерывания). Исключениями (exception) являются нештатные ситуации (ошибки), возникающие при работе процессора. При выявлении таких ошибок соответствующие блоки, контролирующие работу процессора, вырабатывают внутренние сигналы запроса, обеспечивающие вызов необходимой подпрограммы обслуживания. Процессор способен обеспечить обслуживание 256 различных типов исключений и прерываний. Соответствующая обработка информации при возникновении таких ситуаций выполняется с помощью специальных подпрограмм (обработчиков) обслуживания (interrupthandlers), указатели на обработчики (вектора прерываний) хранятся в таблице, размещаемой в памяти системы.

По типу возникновения прерывания делятся на программные, аппаратные и прерывания от внутренних блоков процессора.

Программные прерывания – это своеобразный способ вызова процедур, как правило, системных. Осуществляется по инструкциямINTn , INTO , INT 3, BOUND .

Запросы на выполнение аппаратных прерываний поступают от внешних устройств на входыLINT 0/ INTR ,LINT 1/ NMI процессора. В мультипроцессорной системе, когда включен внутренний контроллер локальных прерыванийAPIC(см. раздел $.4), сигналыLINT 1-0 на этих входах определяют номер запроса, поступающего от других устройств (процессоров) системы. В однопроцессорной системе, когда функционирование контроллера APIC запрещено, эти входы служат, соответственно, для подачи маскируемыхINTR и немаскируемыхNMI запросов прерывания от различных внешних устройств.

Маскируемые прерывания вызываются активизацией входаINTR (InterruptRequest). Их обслуживание может быть запрещено (замаскировано) путем установке значения признакаIF=1 в регистре состоянийEFLAGS. Обычно такой запрос поступает от внешнего устройства через специальный контроллер прерываний, который собирает запросы от различных внешних устройств и передает их для обработки процессору, указав для них также номерn определяющий вид прерывания (INTRn). На входNMI поступает запрос на немаскируемое прерывание, процедура обслуживания которого имеет фиксированный номерn=2 (см. табл.$.1). Значение признакаIFв регистреEFLAGSне влияет на обслуживание процессором немаскируемого запроса прерывания NMI. При работе процессора в мультипроцессорной системе, когда функционирует контроллер локальных прерыванийAPIC, запросы аппаратных прерывания (маскируемые и немаскируемые) поступают по специальной APIC-шине (см. разд.$.4).

Для исключений зарезервированы первые 32 вектора в таблице прерываний. Каждый тип исключения имеет мнемоническое обозначение. Исключения делятся на ошибки (Faults ), ловушки (Traps ) иотказы (Aborts ). В табл. $.1 указан их список для защищенного режима. В реальном режиме некоторые прерывания (например, #TSили #PF) имеют несколько другой смысл, но эти случаи здесь не рассматриваются. Пояснение столбца «класс» будет дано при описании отказа #DFв разделе $.2.

Ошибки выявляются и обслуживаются до выполнения инструкции, которая является причиной их возникновения. Примером ошибки может служить ситуация, возникающая при обращении очередной инструкции к странице или сегменту, отсутствующим в адресуемой оперативной памяти (обращение к сегменту или странице, для которых бит присутствияP=0, см. разд. 7.3). При ошибке в качестве адреса возврата к прерванной программе сохраняется адрес инструкции, выполнение которой вызвало данное исключение.

Процесс выборки и выполнения последовательности команд может быть прерван для выполнения обслуживания одного из событий, возникшего во время выполнения программы. Это связано с выполнением микропроцессором специальной аппаратной функции - прерывания.

Прерывание - это аппаратная функция микропроцессора, позволяющая ему во время выполнения программы, единым образом реагировать на различные внутренние и внешние асинхронные события, которые возникают в процессе работы компьютера. За счет выполнения процедуры прерывания, процессор прерывает выполнение текущей программы и переходит к выполнению другой программы, которая обслужит событие, вызвавшее данное прерывание. Возврат из программы обслуживания осуществляется за счет выполнения в конце этой программы команды процессора IRET (возврат из прерывания).

События, вызывающие прерывания, - это:

• аппаратные ошибки, определяемые схемами контроля устройств: ошибка четности; ошибка ввода-вывода (немаскируемые прерывания NMI);
• внутренние ошибки МП (ошибка деления на 0, нарушение прав доступа к сегменту памяти и др.);
• выполнение команд INT (программные прерывания);
• запросы на обслуживание от внешних устройств (маскируемые прерывания по сигналам IRQ);
• запрос на переход в режим управления системой (SMI) и др.

Все события, вызывающие прерывания, пронумерованы от 0 через единицу до FF (256 событий). За каждым событием жестко закреплен вектор прерывания (в режиме реального адреса - четыре байта ОЗУ). В векторе прерывания хранится программный адрес (базовый адрес сегмента памяти и смещение) начала программы обслуживания данного события.

Под векторы прерывания в режиме реального адреса (в этом режиме работают все микропроцессоры от 80286 до Pentium 4 после включения электропитания) отводится область ОЗУ с 0 до 400h (256 векторов х 4 байта = 1024 байта). Адрес вектора прерывания (АВП ) - это адрес младшего из четырех байтов вектора прерывания. АВП = (номер события вызывающего прерывание) х 4. Для обслуживания прерываний выделяется и используется небольшая область оперативной памяти, которую называют стек.

Стек - это область оперативной памяти, предназначенная для хранения данных, имеющих временную ценность, например, сохраняется текущее состояние микропроцессора, необходимое для возврата по команде IRET в прерванную ранее программу. Запись в стек выполняется с авто-уменьшением адресов, а чтение с авто-увеличением адресов (принцип: «первым пришел - последним ушел»). Физический адрес для обращения в стек формируется из содержимого регистров процессора (SS: SP). При выполнении записи в стек содержимое регистра SP автоматически уменьшается на 2, а затем используется в качестве смещения при вычислении физического адреса. При обращении по чтению в стек содержимое регистра SP используется в качестве смещения при вычислении физического адреса, а затем к регистру SP автоматически прибавляется 2. Обращение в стек может быть выполнено во время выполнения микропроцессором аппаратной функции (например, прерывание) и по командам микропроцессора (например, PUSH , POP).

Сигналы IRQ n

Сигналы IRQ n (Interrupt ReQuest - запрос прерывания) - сигнал от одного из узлов компьютера, требующий внимания процессора к этом узлу. Сигнал генерируется при наступлении какого-либо события (например, нажатии клавиши, завершении операции чтения/записи на диске и т.п.). Например, в однопроцессорном варианте ПК предусмотрено 15 линий IRQ, часть которых используется внутренними контроллерами системной платы, а остальные заняты стандартными адаптерами либо не используются:

0 - системный таймер (канал 0)

1 - контроллер клавиатуры

2 - сигнал с выхода починенного контроллера прерываний

3 - обычно COM2/COM4

4 - обычно COM1/COM3

5 - параллельный порт LPT2

6 - контроллер FDD

7 - параллельный порт LPT1

8 - часы реального времени с автономным питанием (RTC)

9 - параллельна IRQ 2

10 - резерв для устройств

11 - резерв для устройств

12 - обычно контроллер мыши типа PS/2

13 - математический сопроцессор

14 - обычно контроллер Primary IDE HDD (первый канал)

15 - обычно контроллер Secondary IDE HDD (второй канал)

Прерывания и исключения.

Процессор управляет внешними устройствами, выполняя соответствующую программу ввода/вывода, где он с помощью команд IN,OUT (чтение порта, запись в порт) имеет доступ к программно-доступным регистрам контроллера. В регистр управления процессор записывает команду, из регистра состояния читает информацию о состоянии устройства и контроллера, в регистр данных записывает выводимые на устройство данные, или читает из регистра данных считываемую с устройства информацию. Возможны два способа организации программного обмена с внешними устройствами:

1) обмен с опросом готовности устройства.

Выполняя программу ввода-вывода, процессор, запустив в контроллере операцию, циклически читает регистр состояния контроллера. Он ожидает появления (в соответствующем разряде регистра состояния) признака готовности к обмену данными с процессором. При появлении этого признака в регистре состояния, процессор, с помощью команды OUT, осуществляет запись в регистр данных (при выводе на устройство), или выполняет чтение информации из регистра данных контроллера с помощью команды IN (при вводе с устройства). После чего запускает в контроллере следующую операцию в контроллере и т. д.;

2) обмен по запросам на обслуживание устройства (запросам на маскируемое прерывание).

При обслуживании внешних устройств через прерывания, процессор, выполняющий программу ввода-вывода, запускает в контроллере операцию и не ожидает готовности контролера к обмену данными. Он продолжает выполнять полезную программу. Контроллер внешнего устройства в случае полной готовности к обмену данными с процессором выдает на соответствующую линию IRQ сигнал запроса на обслуживание. Процессор, через выполнение процедуры прерывания по сигналу IRQ (в ее выполнении участвуют контроллер прерываний и контроллер шины), переходит на выполнение программы ввода/вывода для данного устройства. Эта программа осуществляет обмен данными через регистр данных контроллера и запускает в контроллере следующую операцию и т. д. Процессор возвращается к выполнению прерванной программы через выполнение команды IRET (возврат из прерывания, которой заканчивается программа ввода/вывода) и т. д.

Прерывания и исключения нарушают нормальный ход выполнения программы для обработки внешних событий или сообщения о возникновении особых усло-вий или ошибок. Прерывания подразделяются на аппаратные (маскируемые и немаскируе-мые), вызываемые электрическими сигналами на входах процессора, и програм-мные, выполняемые по команде INT хх. Программные прерывания процессором обрабатываются как разновидность исключений. Аппаратные прерывания подразделяются на маскируемые и немаскируемые. Процессор может воспринимать прерывания после выполнения каждой коман-ды, длинные строковые команды имеют для восприятия прерываний специаль-ные окна.

Маскируемые прерывания вызываются переходом в высокий уровень сигна-ла на входе INTR (Interrupt Request) при установленном флаге разрешения (IF=1). В этом случае процессор вырабатывает два следующих друг за другом (back to back) цикла подтверждения прерывания, в которых контроллером шины генерируются управляющие сигналы INТА# (Interrupt Acknowledge). Высокий уровень сигнала INTR должен сох-раняться по крайней мере до подтверждения прерывания. Первый цикл под-тверждения прерывания обеспечивает выполнение контроллером прерываний процедуры арбитража запросов на прерывание и формирование номера прерывания. По второму импульсу INТА# внешний контроллер прерываний передает по системной шине в процессор сформированный им номер прерывания, обслуживающего данный тип аппаратного прерывания. Прерывание с полученным номером вектора выполняется процес-сором так же, как и программное (свое текущее состояние (IP, CS, F) процессор сохраняет в стеке, из номера прерывания формирует АВП, читает из вектора прерывания программный адрес (IP:CS) первой исполняемой команды программы обслуживания прерывания, формирует из IP:CS физический адрес и читает команду по этому адресу). Обработка текущего прерывания может быть в свою очередь прервана немаскируемым прерыванием, а если программа-обработчик уста-новит флаг IF, то и другим маскируемым аппаратным прерыванием.

Немаскируемые прерывания выполняются независимо от состояния флага IF по сигналу NMI (Non Mascable Interrupt). Вход NMI процессора асинхронный с запуском по фронту сигнала (переход от низкого уровня к высокому), который вызовет прерывание с типом (номером) 2. Немаскируемое прерывание выполняется так же, как и маскируемое. Его обработка не может прерываться под действием сигнала на входе NMI до выполнения команды IRET.

Исключения (Exceptions) подразделяются на отказы, ловушки и аварийные завершения. Отказ (fault) - это исключение, которое обнаруживается и обслуживается до выполнения инструкции, вызывающей ошибку. После обслуживания этого ис-ключения управление возвращается снова на ту же инструкцию (включая все префиксы), которая вызвала отказ. Отказы, использующиеся в системе вирту-альной памяти, позволяют, например, подкачать с диска в оперативную память затребованную страницу или сегмент. Ловушка (trap) - это исключение, которое обнаруживается и обслуживается после выполнения инструкции, его вызывающей. После обслуживания этого исключения управление возвращается на инструкцию, следующую за вызвавшей ловушку. К классу ловушек относятся и программные прерывания по командам INT xx. Аварийное завершение (abort) - это исключение, которое не позволяет точно установить инструкцию, его вызвавшую. Оно используется для сообщения о серьезной ошибке, такой как аппаратная ошибка или повреждение системных таблиц. Набор и обработка исключений реального и защищенного режимов различ-ны. Под исключения Intel резервирует векторы 0-31 в таблице прерываний, однако в персональных компьютерах часть из них перекрывается системными прерываниями BIOS и DOS. Процедура, обслуживающая прерывание или исключение, определяется по таблице с помощью номера прерывания. Для программных прерываний номер задается командой (или во втором байте команды INT xx), а исключения генерируют и передают номер прерывания внутри процессора. Каждому номеру (0-255) прерывания или исключения в защищенном режиме соответствует эле-мент в таблице дескрипторов прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table). В реальном режиме таблица прерываний содержит двойные слова - программные адреса обслуживающих процедур и после сброса располагается, начиная с нуле-вых адресов. Командой LIDT можно изменять ее положение в пределах первого мегабайта, а размер (03FFh) может быть уменьшен до 007Fh. При попытке обслуживания прерывания с номером, выходящим за заданный размер таблицы, генерируется исключение типа 8. В защищенном режиме таблица IDT содержит 8-байтные дескрипторы прерываний, может иметь размер от 32 до 256 дескрип-торов и располагаться в любом месте физической памяти. Анализ условий обслуживания прерываний и исключений выполняется в следующем порядке (по убыванию приоритета):

• проверка на исключение (ловушка) отладки (типа 1) по выполненной ин- струкции (пошаговый режим через флаг TF или точка останова по данным через регистры отладки);
• проверка на исключение (отказ) отладки (типа 1) по последующей инструкции (точка останова по инструкции через регистр отладки);
• немаскируемое прерывание (аппаратное по входу NMI);
• маскируемое прерывание (аппаратное по входу INTR при IF=l);
• проверка на исключение (отказ) сегментации (типа 11 или 13) при выбор-ке следующей инструкции;
• проверка на исключение (отказ) страницы (типа 14) при выборке следующей инструкции;
• проверка на отказ декодирования следующей инструкции (типа 6 или 13);
• для операции WAIT проверка TS и МР (исключение 7, если TS=4 и МР=1);
• для операции ESCAPE (к мат. сопроцессору) проверка ЕМ и TS (исклю-чение 7, если EM=l или TS=1);
• для операции WAIT или ESCAPE проверка на исключение 16 от сопро-цессора;
• проверка на отказ сегментации (11, 12, 13) и страницы (14) для операндов, используемых в инструкции.

Двойной отказ (Double Fault) - исключение 8 - возникает, когда при обра-ботке исключения, связанного с сегментацией (10, 11, 12 или 13), процессор обнаруживает исключение, отличное от отказа страницы (14). Также двойной отказ возникает, если при отработке исключения отказа страницы (типа 14) обнаруживается исключение другого типа. В этом случае тоже исполняется исключение 8. Если во время обслуживания исключения отказа страницы произойдет еще один отказ страницы, то происходит отключение (Shutdown) процессора. Во время отключения никакие новые инструкции не выполняются. Из этого состо-яния процессор можно вывести только аппаратно сигналом NMI, оставляя его в защищенном режиме, или сигналом RESET, переводящим процессор в реальный режим. Прерывания и исключения процессора, работающего в защищенном режиме, приведены в табл. 1. Исключения реального режима, отличающиеся от защи-щенного, приведены в табл. 2.

Таблица 1. Прерывания и исключения защищенного режима

Номер	Функция
	Переполнение при делении на 0
	Исключение отладки
	Немаскируемое прерывание (NMI)
	Прерывание отладки (INT 3)
	Прерывание по переполнению (INTO)
	Прерывание по контролю диапазона (BOUND)
	Недопустимый код операции
	Сопроцессор недоступен или переключалась задача
	Двойной отказ
	Нарушение границы сегмента сопроцессором (только 386/387)
	Недопустимый сегмент состояния задачи
	Сегмент отсутствует
	Нарушение границы сегмента стека или сегмент стека отсутствует
	Общее нарушение защиты
	Отказ страницы
	Зарезервирован
	Исключение сопроцессора
	Контроль выравнивания (486+)
	Зарезервированы
	Программные прерывания INT n

*в реальном режиме имеют другое назначение (см. табл. 2).

** В реальном режиме не возникают, но возможны в V86.

Таблица 2. Исключения реального режима

При отработке исключения в защищенном режиме процессор сохраняет в стеке слово кода ошибки (Error Code). Если оно отлично от нуля, то оно содержит селектор дескриптора, с которым связана ошибка.

§ 3.1.Системаобработкипрерываний

Обладая способностью переключаться от одного потока выполнения к другому,

ядро операционной системы должно к тому же реагировать на прерывания (interrupts) и

исключения (exceptions). Речь идет о сигналах, которые возникают в системе и застав-

ляют процессор прерывать свою работу и переключаться на обработку возникшей си-

туации. Рассмотрим эти два механизма более подробно.

Прерывания представляют собой механизм , позволяющий координировать парал-

лельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагиро-

вать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Таким образом, преры-

вание-этопринудительнаяпередачауправленияотвыполняемойпрограммык

системе (а через нее - к соответствующей программе обработки прерывания), происхо-

дящая при возникновении определенного события.

Идея прерываний была предложена в середине 50-х годов и можно без преувели-

чения сказать, что она внесла наиболее весомый вклад в развитие вычислительной тех-

ники. Основная цель введения прерываний - реализация асинхронного режима работы и

распараллеливание работы отдельных устройств вычислительного комплекса.

Механизм прерываний реализуется аппаратно-программными средствами. Перво-

начально рассмотрим в общих чертах аппаратную часть системы прерываний. Сигналы

аппаратных прерываний, возникающие в устройствах, входящих в состав компьютера

или подключенных к нему, поступают в процессор не непосредственно, а через два кон-

троллера прерываний, один из которых называется ведущим, а второй ведомым

(рис.3.1). В прежних моделях машин контроллеры представляли собой отдельные мик-

росхемы; в современных компьютерах они входят в состав многофункциональной мик-

росхемы периферийного контроллера.

Рис.3.1. Аппаратная часть системы прерываний.

Два контроллера используются для увеличения допустимого числа внешних уст-

ройств. Дело в том, что каждый контроллер прерываний может обслуживать сигналы

лишь от восьми устройств. Для обслуживания большего количества устройств контрол-

леры можно объединять, образуя из них веерообразную структуру. В современных ма-

шинах устанавливают два контроллера, увеличивая тем самым возможное число вход-

ных устройств до 15 (7 у ведущего и 8 у ведомого контроллера).

К входным выводам IRQ1...IRQ7 и IRQ8...IRQ15 (IRQ - это сокращение от Interrupt

Request, запрос прерывания) подключаются выводы устройств, на которых возникают

сигналы прерываний. Выход ведущего контроллера подключается к входу INT микро-

процессора, а выход ведомого - к входу IRQ2 ведущего. Основная функция контролле-

ров - передача сигналов запросов прерываний от внешних устройств на единственный

вход прерываний процессора. При этом, кроме сигнала INT, контроллеры передают в

процессор по линиям данных номер вектора, который образуется в контроллере путем

сложения базового номера, записанного в одном из его регистров, с номером входной

линии, по которой поступил запрос прерывания. Номера базовых векторов заносятся в

контроллеры автоматически в процессе начальной загрузки компьютера. Очевидно, что

номера векторов аппаратных прерываний однозначно связаны с номерами линий, или

уровнями IRQ, а через них - с конкретными устройствами компьютера. На рис.3.1 обо-

значены основные устройства компьютера, работающие в режиме прерываний.

Процессор, получив по линии INT сигнал прерывания, выполняет последователь-

ность стандартных действий, которую можно назвать процедурой прерывания. Смысл

процедуры прерывания заключается в том, чтобы сохранить состояние текущей (преры-

ваемой) программы и передать управление обработчику, соответствующему возникше-

му прерыванию.

Структуры систем прерывания (в зависимости от аппаратной архитектуры) могут

быть самыми разными, но все они имеют одну общую особенность - прерывание непре-

менно влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Механизм обработки прерываний независимо от архитектуры вычислительной

системы включает следующие элементы :

1. Установление факта прерывания (прием сигнала на прерывание) и идентифика-

ция прерывания (в операционных системах иногда осуществляется повторно, на

2. Запоминание состояния прерванного процесса. Состояние процесса определяется

прежде всего значением счетчика команд (адресом следующей команды, кото-

рый, например, в i80x86 определяется регистрами CS и IP - указателем команды),

содержимым регистров процессора и может включать также спецификацию ре-

жима (например, режим пользовательский или привилегированный) и другую

информацию.

3. Управление аппаратно передается подпрограмме обработки прерывания. В про-

стейшем случае в счетчик команд заносится начальный адрес подпрограммы об-

работки прерываний, а в соответствующие регистры - информация из слова со-

стояния. В более развитых процессорах, например в том же i80286 и

последующих 32-битовых микропроцессорах, начиная с i80386, осуществляется

достаточно сложная процедура определения начального адреса соответствующей

подпрограммы обработки прерывания и не менее сложная процедура инициали-

зации рабочих регистров процессора.

4. Сохранение информации о прерванной программе, которую не удалось спасти на

шаге 2 с помощью действий аппаратуры. В некоторых вычислительных системах

предусматривается запоминание довольно большого объема информации о со-

стоянии прерванного процесса.

5. Обработка прерывания. Эта работа может быть выполнена той же подпрограм-

мой, которой было передано управление на шаге 3, но в ОС чаще всего она реа-

лизуется путем последующего вызова соответствующей подпрограммы.

6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу (этап, об-

ратный шагу 4).

7. Возврат в прерванную программу.

Шаги 1-3 реализуются аппаратно, а шаги 4-7 - программно. На рис.3.2 показано,

что при возникновении запроса на прерывание естественный ход вычислений нарушает-

ся и управление передается программе обработки возникшего прерывания. При этом

средствами аппаратуры сохраняется (как правило, с помощью механизмов стековой па-

мяти) адрес той команды, с которой следует продолжить выполнение прерванной про-

граммы. 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 программ-

ных средах. В мультипрограммных операционных системах обработка прерываний про-

исходит по более сложным схемам, о чем будет более подробно написано ниже.

Рис.3.2. Обработка прерывания

Итак, главныефункциимеханизмапрерываний :

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, со-

держащей перечень всех допустимых для компьютера прерываний и адреса соответст-

вующих обработчиков. Для корректного возвращения к прерванной программе перед

передачей управления обработчику прерываний содержимое регистров процессора за-

поминается либо в памяти с прямым доступом, либо в системном стеке - system stack.

Прерывания, возникающие при работе вычислительной системы, можно разделить

на два основных класса: внешние (их иногда называют асинхронными) и внутренние

(синхронные).

Внешниепрерывания 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.

Внутренниепрерывания вызываются событиями, которые связаны с работой про-

цессора и являются синхронными с его операциями. Примерами являются следующие

запросы на прерывания:

При нарушении адресации (в адресной части выполняемой команды указан запре-

щенный 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 аппара-

туры средствами контроля.

Могут еще существовать прерывания при обращении к супервизору ОС - в некото-

рых компьютерах часть команд может использовать только ОС, а не пользователи. Со-

ответственно в аппаратуре предусмотрены различные режимы работы, и пользователь-

ские программы выполняются в режиме, в котором эти привилегированные команды не

исполняются. При попытке использовать команду, запрещенную в данном режиме, про-

исходит внутреннее прерывание и управление передается супервизору ОС. К привиле-

гированным командам относятся и команды переключения режима работа центрального

процессора.

Наконец, существуют собственно программныепрерывания . Эти прерывания

происходят по соответствующей команде прерывания, то есть по этой команде процес-

сор осуществляет практически те же действия, что и при обычных внутренних прерыва-

ниях. Данный механизм был специально введен для того, чтобы переключение на сис-

темные программные модули происходило не просто как переход в подпрограмму, а

точно таким же образом, как и обычное прерывание. Этим обеспечивается автоматиче-

ское переключение процессора в привилегированный режим с возможностью исполне-

ния любых команд.

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. Оче-

видно, что прерывания от схем контроля процессора должны обладать наивысшим при-

оритетом (если аппаратура работает неправильно, то не имеет смысла продолжать обра-

ботку информации). На рис.3.3 изображен обычный порядок (приоритеты) обработки

прерываний в зависимости от типа прерываний .

Рис.3.3. Распределение прерываний по уровням приоритета

Учет приоритета может быть встроен в технические средства, а также определяться

операционной системой, то есть кроме аппаратно реализованных приоритетов прерыва-

ния большинство вычислительных машин и комплексов допускают программно-

аппаратное управление порядком обработки сигналов прерывания. Второй способ, до-

полняя первый, позволяет применять различные дисциплиныобслуживанияпрерыва-

Наличие сигнала прерывания не обязательно должно вызывать прерывание испол-

няющейся программы. Процессор может обладать средствами защиты от прерываний:

отключение системы прерываний, маскирование (запрет) отдельных сигналов прерыва-

ния. Программное управление этими средствами (существуют специальные команда для

управления работой системы прерываний) позволяет операционной системе регулиро-

вать 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 теку-

щей команды. Поскольку сигналы прерывания возникают в произвольные моменты вре-

мени, то на момент прерывания может существовать несколько сигналов прерывания,

которые могут быть обработаны только последовательно. Чтобы обработать сигналы

прерывания в разумном порядке им присваиваются приоритеты. Сигнал с более высо-

ким приоритетом обрабатывается в первую очередь, обработка остальных сигналов пре-

рывания откладывается.

Программное управление специальными регистрами маски (маскирование сигна-

лов прерывания) позволяет реализовать различные дисциплины обслуживания :

С относительнымиприоритетами , то есть обслуживание не прерывается даже

при наличии запросов с более высокими приоритетами. После окончания обслу-

живания 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 от-

ключить систему прерываний;

С абсолютнымиприоритетами , 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 принципустека , или, как иногда говорят, подисциплине LCFS (last come first

served - последним пришел - первым обслужен), то есть запросы с более низким

приоритетом могут прерывать обработку прерывания с более высоким приорите-

том. Дли этого необходимо не накладывать маски ни на один сигнал прерывания

и не выключать систему прерываний.

Следует особо отметить, что для правильной реализации последних двух дисцип-

лин нужно обеспечить полное маскирование системы прерываний при выполнении ша-

гов 1-4 и 6-7. Это необходимо для того, чтобы не потерять запрос и правильно его об-

служить. Многоуровневое прерывание должно происходить на этапе собственно

обработки прерывания, а не на этапе перехода с одного процесса на другой.

Управление ходом выполнения задач со стороны ОС заключается в организации

реакций на прерывания, в организации обмена информацией (данными и программами),

предоставлении необходимых ресурсов, в динамике выполнения задачи и в организации

сервиса. Причины прерываний определяет ОС (модуль, который называют супервизо-

ром прерываний), она же и выполняет действия, необходимые при данном прерывании и

в данной ситуации. Поэтому в состав любой ОС реального времени прежде всего входят

программы управления системой прерываний, контроля состояний задач и событий,

синхронизации задач, средства распределения памяти и управления ею, а уже потом

средства организации данных (с помощью файловых систем и т. д.). Следует, однако,

заметить, что современная ОС реального времени должна вносить в аппаратно-

программный комплекс нечто большее, нежели просто обеспечение быстрой реакции на

прерывания.

Как мы уже знаем, при появлении запроса на прерывание система прерываний

идентифицирует сигнал и, если прерывания разрешены, управление передается на соот-

ветствующую подпрограмму обработки. Из рис.3.2 видно, что в подпрограмме обработ-

ки прерывания имеются двеслужебныесекции . Это - первая секция, в которой осуще-

ствляется 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 повтор-

но на сигнал запроса на прерывание, она обычно автоматически «закрывает» (отключа-

ет) прерывания, поэтому необходимо потом в подпрограмме обработки прерываний

вновь включать систему прерываний. Установка рассмотренных режимов обработки

прерываний (с относительными и абсолютными приоритетами, и по правилу LCFS)

осуществляется в конце первой секции подпрограммы обработки. Таким образом, на

время выполнения центральной секции (в случае работы в режимах с абсолютными при-

оритетами и по дисциплине LCFS) прерывания разрешены. На время работы заключи-

тельной секции подпрограммы обработки система прерываний должна быть отключена

и после восстановления контекста вновь включена. Поскольку эти действия необходимо

выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерываний, во многих опе-

рационных системах первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в

специальный системный программный модуль, называемый супервизоромпрерываний .

Супервизорпрерываний прежде всего сохраняет в дескрипторе текущей задачи

рабочие регистры процессора, определяющие контекст прерываемого вычислительного

связанные с обслуживанием настоящего (текущего) запроса на прерывание. Наконец,

перед тем как передать управление этой подпрограмме, супервизор прерываний уста-

навливает необходимый режим обработки прерывания. После выполнения подпрограм-

мы 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 схема проиллюстрирована на рис.3.4 .

Как видно из рис.3.4, здесь нет непосредственного возврата в прерванную ранее

программу непосредственно из самой подпрограммы обработки прерывания. Для прямо-

го непосредственного возврата достаточно адрес возврата сохранить в стеке, что и дела-

ет аппаратура процессора. При этом стек легко обеспечивает возможность возврата в

случае вложенных прерываний, поскольку он всегда реализует дисциплину LCFS (last

come - first served).

Однако если бы контекст процессов сохранялся просто в стеке, как это обычно

реализуется аппаратурой, а не в дескрипторах задач, то не было бы возможности гибко

подходить к выбору той задачи, которой нужно передать процессору после завершения

работы подпрограммы обработки прерывания.

Рассмотрим как производится обработка прерываний в ОС Windows . В этой

операционной системе каждому прерыванию назначается определенный приоритет, на-

зываемый уровнемзапросапрерывания (interrupt request level, IRQL). IRQL назначается

источнику прерывания. Например, мышь имеет IRQL, который присваивается посту-

пающим от нее сигналам. Системный таймер также генерирует собственные прерыва-

ния, которым назначается другой IRQL.

Рис.3.4. Обработка прерывания при участии супервизоров ОС

Центральный процессор также имеет свой IRQL, который изменяется по мере ра-

боты системы. Изменение IRQL центрального процессора позволяет системе блокиро-

вать прерывания с более низким приоритетом. Приоритет процессора могут изменить

только системные сервисы, работающие на уровне ядра, например перехватчик. Потоки,

функционирующие на пользовательском уровне, не имеют таких привилегий. Заблоки-

рованным прерываниям внимание не уделяется до тех пор, пока какой-нибудь поток яв-

ным образом не понизит уровень прерывания центрального процессора. Если процессор

работает при самом низком значении IRQL, происходит нормальное выполнение потока

и разрешается обработка всех прерываний. Когда перехватчик вызывает процедуруоб-

служиванияпрерывания (interrupt service routine, ISR), он сначала назначает централь-

ному процессору тот же IRQL, который имеет перехваченный сигнал. На время выпол-

нения ISR прерывания более низкого уровня, например сигналы от устройств ввода

данных, блокируются, чтобы не отвлекать систему от выполнения критических опера-

ций, таких как процедуры восстановления при отключении питания. При понижении

IRQL процессора заблокированные прерывания разблокируются и начинают поочередно

обрабатываться обычным образом. Время от времени центральный процессор переклю-

чается на самый низкий IRQL, чтобы возобновить выполнение прерванных потоков.

Прежде чем приступить к обработке прерывания, перехватчик должен найти в сис-

теме соответствующую подпрограмму. Он ищет такие подпрограммы в таблицерас-

пределенияпрерываний (interrupt dispatch table, IDT). Указанная таблица содержит 32

записи, по одной для каждого уровня запроса прерывания. Каждая из таких записей ука-

зывает на подпрограмму обработки прерывания или на последовательную цепочку таких

подпрограмм - в том случае, если несколько устройств используют один и тот же IRQL.

При загрузке в систему новый драйвер устройства записывает в IDT собственный

обработчик. Драйверы делают это путем создания и подключения объекта-прерывания ,

т.е. структуры, содержащей всю информацию, необходимую ядру для дополнения IDT.

С помощью объекта-прерывания драйверы получают возможность зарегистрировать

свои обработчики прерываний, ничего не зная ни об аппаратном устройстве, ни о струк-

туре таблицы распределения прерываний.

§ 3.2.Общиепринципыобработкиисключений

По мере выполнения программы ее нормальная работа по различным причинам

может нарушаться. В частности, это может быть связано с тем, что центральный процес-

сор наталкивается на недопустимый адрес памяти, пользователь прерывает выполнение

программы комбинацией "горячих" клавиш , отладчик произвольным образом

останавливает программу и запускает ее вновь; ошибка может быть связана и с вводом

неправильного значения при выполнении операции с плавающей запятой. Эти и другие

исключительные ситуации способны возникать как на пользовательском уровне, так и

на уровне ядра операционной системы, как в RISC-процессорах, так и в процессорах

Intel. О возникновении подобных ситуаций может сигнализировать и аппаратное, и про-

граммное обеспечение. Любой язык программирования должен содержать средства об-

работки исключений для унификации процесса обработки, выполняемой в различных

ситуациях. Windows включает встроенные низкоуровневые механизмы структурирован-

ной обработки исключений .

Исключения в значительной степени аналогичны прерываниям. В первую очередь

тем, что оба сигнала заставляют центральный процессор передать управление специаль-

ной части операционной системы. Однако исключения и прерывания - это не одно и то

же. Прерывания происходят асинхронно, часто в результате определенных аппаратных

событий, например нажатий клавиш или поступления данных через последовательный

порт. Программа не имеет возможности контролировать такие прерывания, и они могут

происходить в любой момент. С другой стороны, исключения возникают синхронно, как

результат выполнения определенных операторов программы. Исключения часто служат

сигналом, свидетельствующим о наличии ошибочных условий. Обычно они воспроиз-

водятся путем повторного запуска программы с тем же контекстом.

Исключения часто генерируются в том случае, если какая-то часть программы об-

наруживает ошибку, но не может обработать ее самостоятельно. Так, система генериру-

ет исключение в ответ на ошибки доступа к памяти и ошибки типа деления на ноль. Од-

нако не все исключения порождаются ошибочными ситуациями. Windows генерирует

специальное исключение для вызова определенного системного сервиса. При обработке

этого исключения ядро передает управление той части операционной системы, которая

предоставляет запрашиваемый сервис.

Любое порожденное исключение должно быть обработано если не самой програм-

мой, то операционной системой, а точнее, должна откликнуться определенная подпро-

грамма, которая обработает и снимет исключение. Следовательно, обработка исключе-

ний заключается в создании специальных блоков программного кода, которые

запускаются при возникновении исключительных ситуаций. Каждое приложение долж-

граммы от всевозможных исключений.

В процессе поиска соответствующего блока программного кода, предназначенного

для конкретной исключительной ситуации, система сначала просматривает текущую

процедуру, затем возвращается назад по стеку вызовов, просматривает другие активные

отложенные процедуры того же процесса и, наконец, переходит к системным обработ-

чикам исключений. Если процесс, породивший исключение, находится под защитой от-

ладчика, последний также получает шанс обработать исключение.

Средства обработки ошибок в различных подсистемах и языках программирования

несколько отличаются друг от друга. Например, WOW-подсистема (Windows on Win32 -

защищенная подсистема, выполняющаяся внутри процесса виртуальной DOS-машины)

должна обрабатывать все исключения непосредственно, поскольку клиенты Winl6 не

имеют возможности делать это самостоятельно. Кроме того, в различных языках про-

граммирования может сильно различаться синтаксис операторов обработки исключений.

Термин структурированнаяобработкаисключений подразумевает, что язык содержит

определенную управляющую структуру, связанную с исключениями.

Программисты, впервые столкнувшиеся с проблемой структурированной обработ-

ки исключений, часто ошибочно полагают, что больше нет необходимости проверять

код завершения каждой команды. На самом деле, ошибка - это далеко не то же самое,

что исключение. Функция может завершиться без генерации исключения. Рассмотрим в

качестве примера следующие строки программного кода, реализованного на API-

функциях для ОС Windows:

hBrush = CreateSolidBrush(RGB(255, 0, 0)) ;

hOldBrush = SelectObject(hDC, hBrush);

Rectangle (hDC, 0, 0, 100, 100);

Если первая команда выполняется некорректно и возвращает для создаваемой кис-

ти значение NULL, то функция SelectObject() также не может быть выполнена. Третья

команда все же рисует прямоугольник, однако закрашивает его не тем цветом, который

нужен. Исключения при этом не генерируются. Единственный способ защиты от подоб-

ных ошибок заключается в проверке возвращаемого значения. Вот еще один пример:

hMemory =GlobalAlloc(GHND, 1000);

pData = (char *)GlobalLock(hMemory);

В случае возникновения ошибки, связанной с выделением памяти, переменная

hMemory принимает значение NULL, функция GlobalLock() не выполняется и перемен-

ная pData также получает значение NULL. Однако ни одна из этих ошибок не порождает

исключения. Но следующая строка программного кода при попытке произвести запись

по неправильному адресу генерирует исключение:

// порождает исключение, если pData = NULL

Исключение представляет собой разновидность ошибки, которая не может быть

обработана самой командой. Если функция GlobalAlloc не обнаруживает достаточно

места, для своего выполнения, она просто возвращает значение NULL. Но если операто-

ру присваивания некуда передавать значение, он не выполняет никаких действий и даже

не возвращает код ошибки. При этом порождается исключение, и если процесс не может

его обработать, операционная система должна закрыть данный процесс.

Часто бывает трудно провести черту между ошибками и исключениями. Различие

между ними порой зависит от конкретной реализации. Для того чтобы распознавать ко-

манды, которые могут порождать исключения, необходимо иметь некоторый опыт. Вы

должны знать всевозможные типы исключений и быть в состоянии определить, какие

операции могут их породить. Например, ошибка в операторе присваивания приводит к

исключению типа нарушениеправдоступа . Список возможных исключений обычно

изменяется в зависимости от конкретною компьютера, однако имеется ряд исключений,

которые определяются на уровне ядра Windows :

Несоответствие типов данных (data-type misalignment);

Прерывание отладчика (debugger breakpoint);

Пошаговая отладка (debugger single-step);

Деление на ноль в операции с плавающей запятой (floating-point divide by zero);

Нарушение прав доступа к памяти (memory-access violation);

Ошибка чтения страницы (page-read error);

Превышение квоты страничного файла (paging file quota exceeded);

Привилегированный оператор (privileged instruction).

Тип возникшего исключения можно определить, используя функцию DWORD Ge-

tExceptionCode(void). Функция возвращает код исключения. В таблице 3.1 приведены

наименования основных кодов.

Таблица 3.1

EXCEPTION_ACCESS_VIOLATION

EXCEPTION_FLT_DIVIDE_BY_ZERO

EXCEPTION_INT_DIVIDE_BY_ZERO

EXCEPTION_INT_OVERFLOW

EXCEPTION_PRIV_INSTRUCTION

Попытка обращения к ячейке памяти,

доступ к которой запрещен (например,

память не выделена)

Деление на ноль с плавающей точкой

Деление на ноль с фиксированной точкой

Целочисленное переполнение

Попытка исполнения привилегированной

§ 3.3.Средстваобработкиисключенийв Visual C++

Блок программного кода на языке С++ всегда должен начинаться ключевыми сло-

вами try и catch. Блок try помечает фрагмент программы, который может породить ис-

ключение, а блок catch содержит программу, запускающуюся при наличии исключения.

С точки зрения программиста, подобные синтаксические структуры удобны для отделе-

ния программного кода, предназначенного для обработки исключительных ситуаций, от

кода, выполняющего обычные задачи. В Visual C++ реализован механизм обработки

исключений, который основан на схеме, предложенной ANSI-комитетом по стандарти-

зации языка C++. В соответствии с этой схемой, перед вызовом функции, которая может

стать причиной возникновения исключительной ситуации, должен быть инициирован

обработчик исключений. Если функция приводит к возникновению ненормальной си-

туации, генерируется исключение и управление передается обработчику.

В среде Visual C++ обработка исключений поддерживается с помощью нескольких

механизмов:

Функций, обеспечивающих структурированную обработку исключений;

Классов, отвечающих за обработку определенных типов исключений;

Макрокоманд, позволяющих осуществить структуризацию обработчиков исключений

приложения;

Функций, предназначенных для генерации исключений различных типов.

Все эти механизмы позволяют генерировать исключения нужных типов и при не-

обходимости прекращать выполнение программы.

Как уже было сказано выше, основу любого механизма обработки исключений в

среде Visual C++ составляют операторы try и catch. Структура try/catch отделяет подпро-

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-02