Прерывать

Прерывание — это фундаментальная концепция в информатике и электронике, обозначающая сигнал, посылаемый аппаратным или программным обеспечением для запроса внимания центрального процессора (ЦП). Когда происходит прерывание, ЦП приостанавливает свою текущую задачу и переключается на обработку запроса на прерывание. Прерывания играют решающую роль в многозадачности, позволяя устройствам и приложениям эффективно взаимодействовать с процессором.

История происхождения Interrupt и первые упоминания о нем

Понятие прерывания можно проследить еще на заре вычислительной техники. В 1950-х годах первые компьютеры были построены с использованием электронных ламп и основывались на простых последовательностях программирования. По мере усложнения компьютеров и появления периферийных устройств возникла необходимость в механизме обработки внешних событий.

Первое упоминание о прерываниях можно отнести к компьютеру UNIVAC I, который был одним из первых коммерчески доступных компьютеров. UNIVAC I, выпущенный в 1951 году, использовал базовую форму прерываний для обработки аппаратных событий, таких как операции ввода и вывода.

Подробная информация о прерывании. Расширение темы Прерывание.

В современных компьютерных системах прерывания имеют решающее значение для эффективного управления взаимодействием аппаратного и программного обеспечения. Когда аппаратное устройство требует внимания или происходит определенное программное событие, запускается прерывание, которое останавливает текущую задачу ЦП и передает управление подпрограмме обработчика прерываний. После того, как обработчик прерываний завершит свою задачу, ЦП возобновляет прерванную задачу.

Прерывания можно разделить на две основные категории: аппаратные прерывания и программные прерывания. Аппаратные прерывания генерируются внешними периферийными устройствами, такими как клавиатуры, мыши или сетевые карты. С другой стороны, программные прерывания обычно генерируются программными приложениями для запроса услуг операционной системы.

Внутренняя структура прерывания. Как работает прерывание.

Внутренняя структура прерываний тесно связана с архитектурой процессора и его взаимодействием с другими аппаратными компонентами. При возникновении прерывания ЦП выполняет следующие действия:

1. Запрос прерывания (IRQ): прерывающее устройство или программное обеспечение отправляет сигнал запроса прерывания (IRQ) в ЦП, указывая на необходимость внимания.

2. Контроллер прерываний: ЦП получает сигнал IRQ и передает управление контроллеру прерываний, который определяет приоритеты и управляет входящими прерываниями. В современных системах используются усовершенствованные контроллеры прерываний, способные обрабатывать многочисленные источники прерываний.

3. Вектор прерывания: Каждое прерывание связано с вектором прерывания, который является уникальным идентификатором типа прерывания. Контроллер прерываний использует этот вектор для поиска соответствующей процедуры обработчика прерываний.

4. Обработчик прерываний: Обработчик прерываний — это специализированная процедура, предназначенная для обработки прерываний определенного типа. Он обрабатывает прерывание и выполняет необходимые действия, например, считывает данные с устройства или отвечает на запрос программного обеспечения.

5. Переключение контекста: Когда происходит прерывание, ЦП сохраняет текущее состояние прерванной задачи, включая значения счетчика программы и регистров, в структуре данных, называемой блоком управления процессом (PCB). Это позволяет ЦП возобновить выполнение задачи позже, не теряя ее прогресс.

6. Подтверждение прерывания: После того, как обработчик прерывания завершит свою задачу, ЦП подтверждает прерывание и восстанавливает контекст прерванной задачи. Затем ЦП возобновляет выполнение задачи с того места, где оно было прервано.

Анализ ключевых особенностей прерывания

Прерывания предлагают несколько ключевых функций, которые способствуют эффективности и быстродействию современных компьютерных систем:

1. Асинхронная связь: Прерывания позволяют устройствам и программному обеспечению асинхронно взаимодействовать с ЦП, гарантируя оперативное выполнение критических задач, не дожидаясь, пока ЦП будет непрерывно опрашивать устройства.

2. Приоритетная обработка: Прерываниям можно присвоить приоритеты, гарантируя, что прерывания с более высоким приоритетом будут обслуживаться раньше, чем прерывания с более низким приоритетом. Это помогает эффективно управлять срочными событиями.

3. Событийно-ориентированная архитектура: Прерывания позволяют программировать, управляемое событиями, когда приложения реагируют на определенные события, такие как ввод пользователя или сигналы оборудования, а не следуют линейной последовательности.

4. Эффективное использование ресурсов: приостанавливая задачи только при необходимости, прерывания позволяют лучше использовать ресурсы ЦП, предотвращая ненужные циклы, затрачиваемые на опрос.

5. Обработка в реальном времени: Прерывания играют жизненно важную роль в системах реального времени, где решающее значение имеет своевременное реагирование на внешние события, например, в промышленной автоматизации или робототехнике.

Типы прерываний

Прерывания можно разделить на различные типы в зависимости от их происхождения и функций. Ниже приведен список распространенных типов прерываний:

Способы использования прерываний, проблемы и их решения, связанные с использованием

Прерывания широко используются в различных аспектах компьютерных систем. Некоторые распространенные приложения включают в себя:

1. Взаимодействие с устройством: Аппаратные прерывания позволяют таким устройствам, как клавиатуры, мыши и сетевые карты, эффективно взаимодействовать с процессором.

2. Переключение задач: операционные системы используют прерывания для реализации многозадачности, позволяя процессору переключаться между различными процессами или потоками.

3. Системы реального времени: В системах реального времени прерывания необходимы для обработки критичных ко времени событий, обеспечивая немедленную реакцию на внешние стимулы.

Несмотря на свои преимущества, использование прерываний может привести к некоторым проблемам:

• Накладные расходы на прерывание: Частые прерывания могут привести к накладным расходам, влияющим на общую производительность системы.

• Управление приоритетом прерываний: Правильная приоритезация прерываний имеет решающее значение для предотвращения конфликтов за ресурсы и обеспечения своевременной обработки событий с высоким приоритетом.

• Задержка прерывания: время между запросом прерывания и его обработкой (задержка прерывания) должно быть минимизировано для приложений, чувствительных ко времени.

Для решения этих проблем проектировщики систем используют такие методы, как объединение прерываний, вытеснение прерываний и эффективные процедуры обработки прерываний.

Основные характеристики и другие сравнения с аналогичными терминами

Прерывание против опроса:

• Прерывания управляются событиями и являются асинхронными, а опрос представляет собой непрерывный и синхронный метод проверки событий.
• Прерывания более эффективны, поскольку они позволяют избежать траты ресурсов ЦП на постоянный опрос.

Прерывание против исключения:

• Прерывания — это внешние события, генерируемые аппаратным или программным обеспечением для запроса внимания процессора.
• Исключениями являются внутренние события, вызванные самим ЦП из-за ошибок или определенных инструкций.

Прерывание против ловушки:

• Прерывания используются для внешних событий, а ловушки (также известные как программные прерывания) — для внутренних событий, таких как системные вызовы.

Перспективы и технологии будущего, связанные с прерываниями

Поскольку вычислительная техника продолжает развиваться, роль прерываний будет оставаться решающей в обработке растущей сложности взаимодействия аппаратного и программного обеспечения. Будущие технологии могут быть сосредоточены на:

• Расширенные возможности работы в реальном времени: Исследования, вероятно, приведут к улучшению обработки прерываний для удовлетворения строгих требований приложений реального времени.

• Энергоэффективная обработка прерываний: Методы снижения накладных расходов на прерывания и энергопотребления в портативных устройствах и центрах обработки данных.

• Инновационные механизмы определения приоритетов: Более сложные схемы определения приоритетов прерываний для оптимизации использования ресурсов и обеспечения оперативности.

Как прокси-серверы можно использовать или связывать с прерыванием

Прокси-серверы могут играть важную роль в управлении прерываниями в сетевых средах. Когда несколько клиентов получают доступ к Интернету через прокси-сервер, прокси-сервер может эффективно обрабатывать прерывания, такие как разрешение DNS, кэширование контента и управление подключениями. Выступая в качестве посредника, прокси-серверы могут помочь оптимизировать сетевой трафик и улучшить общее качество просмотра.

Ссылки по теме

Для получения дополнительной информации о прерываниях вы можете изучить следующие ресурсы:

1. Прерывания и обработчики прерываний
2. Введение в прерывания и ловушки
3. Обработка прерываний в Linux