Прерывание (Hjyjdfguny)

Прерывание — одна из базовых концепций вычислительной техники, которая заключается в том, что при наступлении какого-либо события происходит передача управления специальной процедуре, называемой обработчиком прерываний (ISR, англ. Interrupt Service Routine)^[1]. В отличие от условных и безусловных переходов, прерывание может быть вызвано в любом месте программы, в том числе если выполнение программы приостановлено, и обусловлено обычно внешними по отношению к программе событиями. После выполнения необходимых действий, обработчик прерываний, как правило, возвращает управление прерванной программе^[2].

Назначение

Как правило, прерывания используются для работы с периферийными устройствами. К примеру, требуется направить запрос на загрузку данных с диска в память, и пока идёт загрузка — производить какие-либо другие операции, либо остановить выполнение до получения прерывания, а после окончания загрузки перейти к обработчику прерывания, который начнёт обработку поступивших данных^[1]. С помощью прерываний также может быть реализована многозадачность, отладка программ, эмуляция определённых устройств и т.д.

Виды

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на:

асинхронные, или внешние (аппаратные) — события, которые исходят от внешних аппаратных устройств (например, периферийных устройств) и могут произойти в любой произвольный момент: сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя, нажатие клавиш клавиатуры, движение мыши. Факт возникновения в системе такого прерывания трактуется как запрос на прерывание (англ. Interrupt request, IRQ): устройства сообщают, что они требуют внимания со стороны ОС;
синхронные, или внутренние — события в самом процессоре как результат нарушения каких-то условий при исполнении машинного кода: деление на ноль или переполнение стека, обращение к недопустимым адресам памяти или недопустимый код операции;
программные (частный случай внутреннего прерывания) — инициируются исполнением специальной инструкции в коде программы. Программные прерывания, как правило, используются для обращения к функциям встроенного программного обеспечения (firmware), драйверов и операционной системы.

Термин «ловушка» (англ. trap) иногда используется как синоним термина «прерывание» или «внутреннее прерывание». Как правило, словоупотребление устанавливается в документации производителя конкретной архитектуры процессора.

Маскирование

Внешние прерывания, в зависимости от возможности запрета, делятся на:

маскируемые — прерывания, которые можно запрещать установкой соответствующих битов в регистре маскирования прерываний (в x86-процессорах — сбросом флага IF в регистре флагов);
немаскируемые (англ. Non-maskable interrupt, NMI) — обрабатываются всегда, независимо от запретов на другие прерывания. К примеру, такое прерывание может быть вызвано сбоем в микросхеме памяти.

Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим, поскольку во время их работы не могут обрабатываться другие прерывания, а если их будет много (особенно от одного источника), то они могут теряться. В Windows для этого применяется механизм отложенного вызова процедур.

Приоритизация

До окончания обработки прерывания обычно устанавливается запрет на обработку этого типа прерывания, чтобы процессор не входил в цикл обработки одного прерывания. Приоритизация означает, что все источники прерываний делятся на классы и каждому классу назначается свой уровень приоритета запроса на прерывание^[3].

Относительное обслуживание прерываний означает, что если во время обработки прерывания поступает более приоритетное прерывание, то это прерывание будет обработано только после завершения текущей процедуры обработки прерывания.
Абсолютное обслуживание прерываний означает, что если во время обработки прерывания поступает более приоритетное прерывание, то текущая процедура обработки прерывания вытесняется, и процессор начинает выполнять обработку вновь поступившего более приоритетного прерывания. После завершения этой процедуры процессор возвращается к выполнению вытесненной процедуры обработки прерывания.

Таблица прерываний

Вектор прерывания — закреплённый за устройством номер, который идентифицирует соответствующий обработчик прерываний. Векторы прерываний объединяются в таблицу векторов прерываний, содержащую адреса обработчиков прерываний^[4]. Местоположение таблицы зависит от типа и режима работы процессора.

Прозрачность

Предполагается, что прерывание должно обеспечивать прозрачность — то есть за исключением данных, которые должны быть изменены исходя из назначения прерывания, после окончания обработки прерывания процессор должен быть возвращён в то же состояние, в котором он был в момент его вызова^[5]. В простейшем случае достаточно сохранить состояние всех регистров процессора в стек.

Программное прерывание

Программное прерывание — синхронное прерывание, которое может осуществить программа с помощью специальной инструкции.

В процессорах архитектуры x86 для явного вызова синхронного прерывания имеется инструкция Int, аргументом которой является номер прерывания (от 0 до 255). В IBM PC-совместимых компьютерах обработку некоторых прерываний осуществляют подпрограммы BIOS, хранящиеся в ПЗУ, и прерывание служит интерфейсом для доступа к сервису, предоставляемому BIOS. Также обслуживание прерываний могут взять на себя BIOS карт расширений (например, сетевых или видеокарт), операционная система и даже обычные (прикладные) программы, которые постоянно находятся в памяти во время работы других программ (т. н. резидентные программы). В отличие от реального режима, в защищённом режиме x86-процессоров обычные программы не могут обслуживать прерывания, эта функция доступна только системному коду (операционной системе).

MS-DOS использует для взаимодействия со своими модулями и прикладными программами прерывания с номерами от 20h до 3Fh (числа даны в шестнадцатеричной системе счисления, как это принято при программировании на языке ассемблера x86). Например, доступ к основному множеству функций MS-DOS осуществляется исполнением инструкции Int 21h (при этом номер функции и её аргументы передаются в регистрах). Это распределение номеров прерываний не закреплено аппаратно и другие программы могут устанавливать свои обработчики прерываний вместо или поверх уже имеющихся обработчиков, установленных MS-DOS или другими программами, что, как правило, используется для изменения функциональности или расширения списка системных функций. Также этой возможностью пользуются вирусы.

Примечания

↑ ¹ ² Таненбаум, 2018, с. 452.
↑ Погорелый, 1989, с. 56.
↑ Таненбаум, 2018, с. 454=456.
↑ Таненбаум, 2018, с. 453.
↑ Таненбаум, 2018, с. 454.

Литература

Погорелый С. Д., Слободанюк Т. Ф. Глава 2. Язык ассемблера для шестнадцатиразрядного микропроцессора К1810ВМ86. Подпрограммы обработки прерываний // Программное обеспечение микропроцессорных систем: Справочник. — К.: Тэхника, 1989. — 301 с. — ISBN 5-335-00169-0.
Э. Таненбаум, Т. Остин. Архитектура компьютера = Structured Computer Organization. — 6-е издание. — Питер, 2018. — С. 452−456. — 816 с. — (Классика Computer Science). — ISBN 978-5-496-00337-7.
Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual (в пяти томах):
- Том 3A. System Programming Guide. CHAPTER 6. INTERRUPT AND EXCEPTION HANDLING (англ.)

[_20e88be2540194a3-1] ¹ ² Таненбаум, 2018, с. 452.

[_523aa13468017e5b-2] Погорелый, 1989, с. 56.

[_d724a44e016e0def-3] Таненбаум, 2018, с. 454=456.

[_20e88be2540194a2-4] Таненбаум, 2018, с. 453.

[_20e88be2540194a5-5] Таненбаум, 2018, с. 454.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]