Przerywać

Przerwanie to podstawowe pojęcie w informatyce i elektronice, odnoszące się do sygnału wysyłanego przez sprzęt lub oprogramowanie w celu zażądania uwagi jednostki centralnej (CPU). Kiedy nastąpi przerwanie, procesor zawiesza swoje bieżące zadanie i przełącza się na obsługę żądania przerwania. Przerwania odgrywają kluczową rolę w wielozadaniowości, umożliwiając urządzeniom i aplikacjom efektywną komunikację z procesorem.

Historia powstania Interrupt i pierwsza wzmianka o nim

Pojęcie przerwania wywodzi się z początków informatyki. W latach pięćdziesiątych XX wieku pierwsze komputery zostały zbudowane przy użyciu lamp próżniowych i opierały się na prostych sekwencjach programowania. W miarę jak komputery stawały się coraz bardziej złożone i pojawiały się urządzenia peryferyjne, pojawiło się zapotrzebowanie na mechanizm obsługujący zdarzenia zewnętrzne.

Pierwszą wzmiankę o przerwaniach można przypisać komputerowi UNIVAC I, który był jednym z najwcześniejszych komputerów dostępnych na rynku. UNIVAC I, wydany w 1951 roku, wykorzystywał podstawową formę przerwań do obsługi zdarzeń sprzętowych, takich jak operacje wejściowe i wyjściowe.

Szczegółowe informacje na temat przerwania. Rozszerzenie tematu Przerwanie.

W nowoczesnych systemach komputerowych przerwania mają kluczowe znaczenie dla efektywnego zarządzania interakcjami sprzętu i oprogramowania. Kiedy urządzenie sprzętowe wymaga uwagi lub następuje określone zdarzenie programowe, wyzwalane jest przerwanie, które wstrzymuje bieżące zadanie procesora i przekazuje kontrolę do procedury obsługi przerwań. Gdy procedura obsługi przerwań zakończy swoje zadanie, procesor wznawia przerwane zadanie.

Przerwania można podzielić na dwie główne kategorie: przerwania sprzętowe i przerwania programowe. Przerwania sprzętowe są generowane zewnętrznie przez urządzenia peryferyjne, takie jak klawiatury, myszy lub karty sieciowe. Z drugiej strony, przerwania programowe są zwykle generowane przez aplikacje w celu żądania usług od systemu operacyjnego.

Wewnętrzna struktura przerwania. Jak działa przerwanie.

Wewnętrzna struktura przerwań jest ściśle powiązana z architekturą procesora i jego interakcją z innymi komponentami sprzętowymi. W przypadku wystąpienia przerwania procesor wykonuje następujące kroki:

1. Żądanie przerwania (IRQ): Urządzenie lub oprogramowanie przerywające wysyła sygnał żądania przerwania (IRQ) do procesora, wskazując potrzebę uwagi.

2. Kontroler przerwań: Procesor odbiera sygnał IRQ i przekazuje kontrolę do kontrolera przerwań, który ustala priorytety przychodzących przerwań i zarządza nimi. Nowoczesne systemy wykorzystują zaawansowane kontrolery przerwań, które są w stanie obsłużyć wiele źródeł przerwań.

3. Wektor przerwania: Każde przerwanie jest powiązane z wektorem przerwania, który jest unikalnym identyfikatorem typu przerwania. Kontroler przerwań używa tego wektora do zlokalizowania odpowiedniej procedury obsługi przerwań.

4. Obsługa przerwań: Procedura obsługi przerwań jest wyspecjalizowaną procedurą zaprojektowaną do obsługi określonego typu przerwań. Przetwarza przerwanie i wykonuje niezbędne działania, takie jak odczyt danych z urządzenia lub odpowiadanie na żądanie oprogramowania.

5. Zmiana kontekstu: Kiedy nastąpi przerwanie, procesor zapisuje bieżący stan przerwanego zadania, łącznie z licznikiem programu i wartościami rejestrów, w strukturze danych zwanej blokiem sterowania procesem (PCB). Dzięki temu procesor może wznowić zadanie później bez utraty postępu.

6. Przerwanie potwierdzenia: Po tym jak procedura obsługi przerwań zakończy swoje zadanie, CPU potwierdza przerwanie i przywraca kontekst przerwanego zadania. Następnie procesor wznawia zadanie od momentu, w którym zostało przerwane.

Analiza kluczowych cech przerwania

Przerwania oferują kilka kluczowych funkcji, które przyczyniają się do wydajności i szybkości reakcji nowoczesnych systemów komputerowych:

1. Komunikacja asynchroniczna: Przerwania umożliwiają urządzeniom i oprogramowaniu asynchroniczną komunikację z procesorem, zapewniając natychmiastową realizację krytycznych zadań bez czekania, aż procesor będzie stale odpytywać urządzenia.

2. Obsługa priorytetowa: Przerwaniom można nadać priorytet, zapewniając obsługę przerwań o wyższym priorytecie przed przerwaniami o niższym priorytecie. Pomaga to skutecznie zarządzać zdarzeniami krytycznymi czasowo.

3. Architektura sterowana zdarzeniami: Przerwania umożliwiają programowanie sterowane zdarzeniami, w którym aplikacje reagują na określone zdarzenia, takie jak dane wejściowe użytkownika lub sygnały sprzętowe, zamiast podążać za sekwencją liniową.

4. Efektywne wykorzystanie zasobów: Wstrzymując zadania tylko wtedy, gdy jest to konieczne, przerwania umożliwiają lepsze wykorzystanie zasobów procesora, zapobiegając niepotrzebnym cyklom spędzonym na odpytywaniu.

5. Przetwarzanie w czasie rzeczywistym: Przerwania odgrywają kluczową rolę w systemach czasu rzeczywistego, gdzie kluczowa jest szybka reakcja na zdarzenia zewnętrzne, np. w automatyce przemysłowej lub robotyce.

Rodzaje przerwań

Przerwania można podzielić na różne typy w zależności od ich pochodzenia i funkcji. Poniżej znajduje się lista typowych typów przerwań:

Sposoby wykorzystania przerwań, problemy i ich rozwiązania związane z użytkowaniem

Przerwania są szeroko stosowane w różnych aspektach systemów komputerowych. Niektóre typowe zastosowania obejmują:

1. Interakcja urządzenia: Przerwania sprzętowe umożliwiają urządzeniom takim jak klawiatury, myszy i karty sieciowe efektywną interakcję z procesorem.

2. Przełączanie zadań: Systemy operacyjne wykorzystują przerwania do realizacji wielozadaniowości, umożliwiając procesorowi przełączanie między różnymi procesami lub wątkami.

3. Systemy czasu rzeczywistego: W systemach czasu rzeczywistego przerwania są niezbędne do obsługi zdarzeń krytycznych czasowo, zapewniając natychmiastową reakcję na bodźce zewnętrzne.

Pomimo korzyści, używanie przerwań może wiązać się z pewnymi wyzwaniami:

• Przerwanie na górze: Częste przerwania mogą powodować obciążenie, wpływając na ogólną wydajność systemu.

• Zarządzanie priorytetami przerwań: Właściwa priorytetyzacja przerwań ma kluczowe znaczenie, aby uniknąć rywalizacji o zasoby i zapewnić terminową obsługę zdarzeń o wysokim priorytecie.

• Opóźnienie przerwania: Czas między żądaniem przerwania a jego obsługą (opóźnienie przerwania) powinien być zminimalizowany w przypadku aplikacji wrażliwych na czas.

Aby rozwiązać te problemy, projektanci systemów stosują techniki takie jak łączenie przerwań, wywłaszczanie przerwań i wydajne procedury obsługi przerwań.

Główne cechy i inne porównania z podobnymi terminami

Przerwanie a odpytywanie:

• Przerwania są sterowane zdarzeniami i asynchroniczne, natomiast odpytywanie to ciągła i synchroniczna metoda sprawdzania zdarzeń.
• Przerwania są bardziej wydajne, ponieważ pozwalają uniknąć marnowania cykli procesora na ciągłe odpytywanie.

Przerwanie a wyjątek:

• Przerwania to zdarzenia zewnętrzne generowane przez sprzęt lub oprogramowanie w celu żądania uwagi procesora.
• Wyjątkami są zdarzenia wewnętrzne spowodowane przez sam procesor z powodu błędów lub określonych instrukcji.

Przerwanie kontra pułapka:

• Przerwania są używane w przypadku zdarzeń zewnętrznych, natomiast pułapki (znane również jako przerwania programowe) są używane w przypadku zdarzeń wewnętrznych, takich jak wywołania systemowe.

Perspektywy i technologie przyszłości związane z Interrupt

W miarę ciągłego postępu w informatyce rola przerwań pozostanie kluczowa w radzeniu sobie z rosnącą złożonością interakcji sprzętu i oprogramowania. Przyszłe technologie mogą skupiać się na:

• Ulepszone możliwości w czasie rzeczywistym: Badania prawdopodobnie doprowadzą do ulepszeń w obsłudze przerwań, aby spełnić rygorystyczne wymagania aplikacji czasu rzeczywistego.

• Energooszczędna obsługa przerwań: Techniki zmniejszania narzutu przerwań i zużycia energii w urządzeniach przenośnych i centrach danych.

• Innowacyjne mechanizmy ustalania priorytetów: Bardziej wyrafinowane schematy ustalania priorytetów przerwań w celu optymalizacji wykorzystania zasobów i zapewnienia responsywności.

W jaki sposób serwery proxy mogą być używane lub powiązane z przerwaniem

Serwery proxy mogą odgrywać znaczącą rolę w zarządzaniu przerwaniami w środowiskach sieciowych. Gdy wielu klientów uzyskuje dostęp do Internetu za pośrednictwem serwera proxy, serwer proxy może skutecznie obsługiwać przerwania, takie jak rozpoznawanie DNS, buforowanie zawartości i zarządzanie połączeniami. Działając jako pośrednik, serwery proxy mogą pomóc zoptymalizować ruch sieciowy i poprawić ogólne wrażenia z przeglądania.

Powiązane linki

Więcej informacji na temat przerwań można znaleźć w następujących zasobach:

1. Przerwania i procedury obsługi przerwań
2. Wprowadzenie do przerwań i pułapek
3. Obsługa przerwań w systemie Linux