Interrupt operativsystem:Hantering av avbrott graciöst
Ett avbrottsoperativsystem (även känt som ett avbrottsdrivet operativsystem) är ett operativsystem som starkt förlitar sig på avbrott För att hantera och kontrollera utförandet av uppgifter. Istället för att kontinuerligt polling för händelser eller förlita sig på strikt tidsskivning, reagerar det på signaler (avbrott) som genereras av hårdvara eller mjukvarukomponenter , så att den effektivt kan hantera flera uppgifter och svara på händelser i realtid.
Tänk på det så här:du är en kock (CPU) som förbereder en måltid (kör ett program). Istället för att ständigt kontrollera om ugnen är klar eller om en timer har gått, förlitar du dig på ugnsklockan (ett avbrott) eller en timer (ett annat avbrott) för att meddela dig när du behöver vidta åtgärder. Detta gör att du kan fokusera på andra uppgifter (förbereda grönsaker, matlagningssås) under tiden.
Hur det hanterar avbrott:
Processen för att hantera ett avbrott följer vanligtvis dessa steg:
1. Interrupt Request (IRQ) Generation: En hårdvaruenhet (t.ex. tangentbord, nätverkskort, diskkontroll) eller en programvarukomponent (t.ex. timer, systemsamtal) genererar en avbrottförfrågan (IRQ). Denna signal berättar för CPU att en händelse har inträffat som behöver uppmärksamhet.
2. Interrupt Controller: IRQ kan dirigeras genom en avbrottskontroller (t.ex. APIC - avancerad programmerbar avbrottskontroll) som prioriterar flera avbrottsförfrågningar. Denna styrenhet säkerställer att de viktigaste avbrotten hanteras först.
3. CPU avbryter aktuell exekvering: Efter att ha fått ett avbrott avbryter CPU * tillfälligt * genomförandet av det aktuella programmet eller uppgiften. Det stannar inte bara; Det sparar noggrant det nuvarande tillståndet. Detta innebär att du sparar följande:
* Programräknare (PC): Adressen till nästa instruktion som ska köras.
* Register: Värdena för alla CPU:s register (t.ex. ackumulator, stackpekare).
* Processor Status Word (PSW): Innehåller flaggor som indikerar CPU:s nuvarande tillstånd (t.ex. avbrott aktivera/inaktivera, bär flagga).
4. Kontextbesparing: Det sparade tillståndet för den avbrutna processen (PC, Registers, PSW) är känt som -sammanhanget . OS sparar vanligtvis detta sammanhang på en stack (ofta kärnstacken) så att det kan återställas senare.
5. Interrupt Vector Table (IVT) Sökning: CPU använder avbrottsnumret (tillhandahållet av avbrottskontrollern) för att leta upp motsvarande avbrottshanterare (eller avbrottstjänstrutin - ISR) i avbrottsvektortabellen (IVT). IVT är en tabell i minne som kartlägger avbryter siffror till adresserna för deras respektive ISRS.
6. Interrupt Handler (ISR) Exekvering: CPU hoppar till adressen till ISR som finns i IVT och börjar utföra den. ISR är en specifik rutin utformad för att hantera det specifika avbrottet. Till exempel:
* tangentbordet ISR: Läser tangenten pressad från tangentbordsbufferten och lagrar den i en buffert.
* disk I/O ISR: Signalerar slutförandet av en diskläsnings-/skrivoperation och kopierar data till/från minnet.
* timer ISR: Uppdaterar systemtid och kan utlösa andra händelser baserade på förfluten tid.
7. Avbrottshantering: ISR utför nödvändiga åtgärder för att hantera avbrottet, till exempel:
* Service av enheten som orsakade avbrottet.
* Uppdatering av systemdata.
* Eventuellt schemaläggning av en annan uppgift att köra.
8. Avbrottsbekräftelse: ISR -signalerna till avbrottskontrollen (eller enheten) som avbrottet har hanterats. Detta görs ofta för att rensa avbrottsbegäran.
9. Kontextåterställning: När ISR har avslutat sitt arbete återställer det det tidigare sparade sammanhanget (PC, register, PSW) från stacken. Detta återställer effektivt CPU till staten den var i * före * avbrottet inträffade.
10. Återgå till avbrutet program: CPU:erna återupptar exekveringen av det avbrutna programmet vid den punkt där det avbröts (med det återställda PC -värdet). Programmet fortsätter som om ingenting hade hänt (förutom en liten försening).
Fördelar med avbrottsdrivna operativsystem:
* Ansvar: Gör att systemet snabbt kan reagera på händelser i realtid (t.ex. sensoravläsningar, användarinmatning).
* Effektivitet: Undviker onödig polling, frigör CPU -tid för andra uppgifter.
* Multi-tasking: Gör det möjligt för operativsystemet att hantera flera uppgifter samtidigt genom att växla mellan dem baserat på avbrottshändelser.
* Support i realtid: Väsentligt för realtidssystem som kräver förutsägbara och snabba svar på händelser.
Nackdelar med avbrottsdrivna operativsystem:
* Komplexitet: Att designa och felsöka avbrottshanterare kan vara komplexa.
* Avbrottslatens: Den tid det tar att svara på ett avbrott (avbrottslatens) kan vara kritisk i realtidssystem. Hög latens kan leda till missade tidsfrister eller systeminstabilitet.
* Interrupt konflikter: Felaktig avbrottshantering kan leda till konflikter mellan olika enheter eller mjukvarukomponenter.
* Rasförhållanden: Delade resurser åtkomst av både avbrottshanterare och regelbunden kod kräver noggrann synkronisering för att undvika rasförhållanden.
Exempel på avbrottsdrivna operativsystem:
De flesta moderna operativsystem är avbrottsdrivna, inklusive:
* Linux: Förlitar sig starkt på avbrott för enhet I/O, timerhantering och systemsamtal.
* Windows: Använder avbrott för liknande ändamål som Linux.
* macOS: Också ett avbrottsdrivet operativsystem.
* realtidsoperativsystem (RTO): Såsom FreerTos, Vxworks, QNX, är utformade specifikt för att hantera avbrott med låg latens och hög förutsägbarhet.
Sammanfattningsvis är ett avbrottsoperativsystem ett kraftfullt och effektivt sätt att hantera systemresurser och hantera realtidshändelser. Genom att svara på avbrott kan operativsystemet sömlöst växla mellan uppgifter och ge en lyhörd och effektiv datorupplevelse. Det är emellertid avgörande att noggrant utforma och implementera avbrottshanterare för att undvika potentiella problem.
