Переривати

Переривання — це фундаментальне поняття в інформатиці та електроніці, яке відноситься до сигналу, надісланого апаратним або програмним забезпеченням для запиту уваги центрального процесора (CPU). Коли виникає переривання, центральний процесор призупиняє виконання поточного завдання та перемикається на обробку запиту на переривання. Переривання відіграють вирішальну роль у багатозадачності, дозволяючи пристроям і програмам ефективно спілкуватися з ЦП.

Історія виникнення Interrupt і перші згадки про нього

Поняття переривання можна простежити до ранніх днів обчислювальної техніки. У 1950-х роках перші комп'ютери були створені з використанням вакуумних ламп і спиралися на прості послідовності програмування. У міру ускладнення комп’ютерів і появи периферійних пристроїв виникла потреба в механізмі обробки зовнішніх подій.

Першу згадку про переривання можна віднести до комп’ютера UNIVAC I, який був одним із перших комерційно доступних комп’ютерів. UNIVAC I, випущений у 1951 році, використовував базову форму переривань для обробки апаратних подій, таких як операції введення та виведення.

Детальна інформація про Interrupt. Розгортання теми Interrupt.

У сучасних комп’ютерних системах переривання мають вирішальне значення для ефективного керування взаємодією апаратного та програмного забезпечення. Коли апаратний пристрій потребує уваги або виникає певна програмна подія, запускається переривання, яке зупиняє поточне завдання ЦП і передає керування підпрограмі обробки переривань. Після того, як обробник переривань завершить своє завдання, центральний процесор відновлює виконання перерваного завдання.

Переривання можна розділити на дві основні категорії: апаратні переривання та програмні переривання. Апаратні переривання генеруються зовнішніми периферійними пристроями, такими як клавіатури, миші або мережеві карти. З іншого боку, програмні переривання зазвичай генеруються програмними додатками для запиту послуг від операційної системи.

Внутрішня структура переривання. Як працює переривання.

Внутрішня структура переривань тісно пов’язана з архітектурою центрального процесора та його взаємодією з іншими апаратними компонентами. Коли виникає переривання, ЦП виконує наступні дії:

1. Запит на переривання (IRQ): Пристрій або програмне забезпечення, що перериває, надсилає сигнал запиту на переривання (IRQ) на ЦП, вказуючи на потребу уваги.

2. Контролер переривань: ЦП отримує сигнал IRQ і передає керування контролеру переривань, який визначає пріоритети та керує вхідними перериваннями. Сучасні системи використовують вдосконалені контролери переривань, здатні обробляти численні джерела переривань.

3. Вектор переривань: Кожне переривання пов’язане з вектором переривання, який є унікальним ідентифікатором для типу переривання. Контролер переривань використовує цей вектор, щоб знайти відповідну процедуру обробки переривань.

4. Обробник переривань: обробник переривань — це спеціалізована процедура, розроблена для обробки певного типу переривання. Він обробляє переривання та виконує необхідні дії, наприклад читання даних з пристрою або відповідь на програмний запит.

5. Перемикач контексту: Коли відбувається переривання, ЦП зберігає поточний стан перерваного завдання, включаючи його програмний лічильник і значення регістрів, у структурі даних, що називається блоком керування процесом (PCB). Це дозволяє центральному процесору відновити завдання пізніше, не втрачаючи його виконання.

6. Підтвердження переривання: Після того, як обробник переривань завершить своє завдання, ЦП підтверджує переривання та відновлює контекст перерваного завдання. ЦП потім відновлює виконання завдання з того моменту, коли воно було перервано.

Аналіз ключових особливостей Interrupt

Переривання пропонують кілька ключових функцій, які сприяють ефективності та швидкості реагування сучасних комп’ютерних систем:

1. Асинхронний зв'язок: переривання дозволяють пристроям і програмному забезпеченню асинхронно обмінюватися даними з центральним процесором, забезпечуючи оперативне виконання критичних завдань, не чекаючи, поки центральний процесор буде постійно опитувати пристрої.

2. Пріоритетна обробка: Перериванням можна присвоїти пріоритет, гарантуючи, що переривання з вищим пріоритетом обслуговуються перед перериваннями з нижчим пріоритетом. Це допомагає ефективно керувати критичними за часом подіями.

3. Архітектура, керована подіями: переривання дозволяють програмувати, кероване подіями, коли програми реагують на певні події, такі як введення користувача або апаратні сигнали, а не слідують лінійній послідовності.

4. Ефективне використання ресурсів: призупиняючи завдання лише за необхідності, переривання дозволяють краще використовувати ресурси процесора, запобігаючи марнотратним циклам, витраченим на опитування.

5. Обробка в реальному часі: Переривання відіграють життєво важливу роль у системах реального часу, де своєчасна реакція на зовнішні події має вирішальне значення, наприклад, у промисловій автоматизації чи робототехніці.

Типи переривань

Переривання можна класифікувати на різні типи на основі їх походження та функції. Нижче наведено список поширених типів переривань:

Способи використання переривання, проблеми та їх вирішення, пов'язані з використанням

Переривання широко використовуються в різних аспектах комп'ютерних систем. Деякі поширені програми включають:

1. Взаємодія пристрою: апаратні переривання дозволяють таким пристроям, як клавіатури, миші та мережеві карти, ефективно взаємодіяти з ЦП.

2. Перемикання завдань: операційні системи використовують переривання для реалізації багатозадачності, що дозволяє ЦП перемикатися між різними процесами або потоками.

3. Системи реального часу: У системах реального часу переривання необхідні для обробки критичних за часом подій, забезпечуючи негайну реакцію на зовнішні подразники.

Незважаючи на переваги, використання переривань може призвести до деяких проблем:

• Накладні витрати на переривання: Часті переривання можуть спричинити накладні витрати, впливаючи на загальну продуктивність системи.

• Керування пріоритетами переривань: Правильна пріоритезація переривань має вирішальне значення, щоб уникнути конфлікту ресурсів і забезпечити своєчасну обробку подій високого пріоритету.

• Затримка переривання: Час між запитом на переривання та його обробкою (затримка переривання) має бути мінімізовано для чутливих до часу програм.

Щоб вирішити ці проблеми, розробники систем використовують такі методи, як об’єднання переривань, випередження переривань і ефективні процедури обробки переривань.

Основні характеристики та інші порівняння з подібними термінами

Переривання проти опитування:

• Переривання керуються подіями та є асинхронними, тоді як опитування є безперервним і синхронним методом перевірки подій.
• Переривання є більш ефективними, оскільки вони дозволяють уникнути зайвих циклів ЦП на постійне опитування.

Переривання проти винятку:

• Переривання — це зовнішні події, які генеруються апаратним або програмним забезпеченням для запиту уваги ЦП.
• Винятком є внутрішні події, спричинені самим ЦП через умови помилки або певні інструкції.

Переривання проти пастки:

• Переривання використовуються для зовнішніх подій, тоді як переривання (також відомі як програмні переривання) використовуються для внутрішніх подій, таких як системні виклики.

Перспективи та технології майбутнього, пов'язані з Interrupt

Оскільки обчислювальна техніка продовжує розвиватися, роль переривань залишатиметься вирішальною для обробки зростаючої складності взаємодії апаратного та програмного забезпечення. Технології майбутнього можуть зосередитися на:

• Розширені можливості реального часу: Дослідження, ймовірно, призведуть до вдосконалення обробки переривань, щоб відповідати суворим вимогам програм реального часу.

• Енергоефективна обробка переривань: Методи зменшення витрат на переривання та енергоспоживання в портативних пристроях і центрах обробки даних.

• Інноваційні механізми визначення пріоритетів: Більш складні схеми пріоритезації переривань для оптимізації використання ресурсів і забезпечення оперативності.

Як проксі-сервери можна використовувати або асоціювати з Interrupt

Проксі-сервери можуть відігравати значну роль в управлінні перериваннями в мережевих середовищах. Коли кілька клієнтів отримують доступ до Інтернету через проксі-сервер, проксі-сервер може ефективно обробляти переривання, наприклад вирішення DNS, кешування вмісту та керування з’єднаннями. Діючи як посередник, проксі-сервери можуть допомогти оптимізувати мережевий трафік і покращити загальний досвід перегляду.

Пов'язані посилання

Щоб отримати додаткові відомості про переривання, ви можете дослідити такі ресурси:

1. Переривання та обробники переривань
2. Вступ до переривань і перехоплень
3. Обробка переривань в Linux