Besturingssysteem onderbreken:netjes omgaan met onderbrekingen

Een interrupt-besturingssysteem (ook wel een interrupt-gestuurd besturingssysteem genoemd) is een besturingssysteem dat sterk afhankelijk is van interrupts het beheren en controleren van de uitvoering van taken. In plaats van voortdurend te peilen naar gebeurtenissen of te vertrouwen op strikte time-slicing, reageert het op signalen (onderbrekingen) die worden gegenereerd door hardware- of softwarecomponenten , waardoor het meerdere taken efficiënt kan afhandelen en kan reageren op realtime gebeurtenissen.

Zie het als volgt:je bent een chef-kok (de CPU) die een maaltijd bereidt (een programma uitvoert). In plaats van voortdurend te controleren of de oven klaar is of dat er een timer is afgegaan, vertrouw je erop dat de ovenbel (een onderbreking) of een timer (nog een onderbreking) je waarschuwt wanneer je actie moet ondernemen. Hierdoor kun je je ondertussen concentreren op andere taken (groenten bereiden, saus koken).

Hoe het omgaat met onderbrekingen:

Het proces voor het afhandelen van een interrupt volgt doorgaans deze stappen:

1. Interrupt Request (IRQ) genereren: Een hardwareapparaat (bijvoorbeeld toetsenbord, netwerkkaart, schijfcontroller) of een softwarecomponent (bijvoorbeeld timer, systeemoproep) genereert een interruptverzoek (IRQ). Dit signaal vertelt de CPU dat er een gebeurtenis heeft plaatsgevonden die aandacht behoeft.

2. Interruptcontroller: De IRQ kan worden gerouteerd via een interruptcontroller (bijvoorbeeld APIC - Advanced Programmable Interrupt Controller) die prioriteit geeft aan meerdere interruptverzoeken. Deze controller zorgt ervoor dat de belangrijkste interrupts als eerste worden afgehandeld.

3. CPU schort huidige uitvoering op: Bij het ontvangen van een interrupt schort de CPU *tijdelijk* de uitvoering van het huidige programma of de huidige taak op. Het stopt niet zomaar; het bewaart nauwgezet de huidige toestand. Dit houdt in dat u het volgende bewaart:

* Programmateller (PC): Het adres van de volgende uit te voeren instructie.

* Registreert: De waarden van alle registers van de CPU (bijvoorbeeld accumulator, stapelaanwijzer).

* Processorstatuswoord (PSW): Bevat vlaggen die de huidige status van de CPU aangeven (bijvoorbeeld interrupt in-/uitschakelen, carry-vlag).

4. Context opslaan: De opgeslagen status van het onderbroken proces (PC, registers, PSW) staat bekend als de context . Het besturingssysteem slaat deze context doorgaans op een stapel op (vaak de kernelstapel), zodat deze later kan worden hersteld.

5. Interrupt Vector Table (IVT) opzoeken: De CPU gebruikt het interruptnummer (geleverd door de interruptcontroller) om de corresponderende interrupthandler op te zoeken (of interrupt-serviceroutine - ISR) in de Interrupt Vector Table (IVT). De IVT is een tabel in het geheugen die interruptnummers toewijst aan de adressen van hun respectievelijke ISR's.

6. Uitvoering van de interrupthandler (ISR): De CPU springt naar het adres van de ISR in de IVT en begint deze uit te voeren. De ISR is een specifieke routine die is ontworpen om de specifieke interrupt af te handelen. Bijvoorbeeld:

* Toetsenbord ISR: Leest de ingedrukte toets uit de toetsenbordbuffer en slaat deze op in een buffer.

* Schijf I/O ISR: Signaleert de voltooiing van een lees-/schrijfbewerking op de schijf en kopieert gegevens naar/van het geheugen.

* Timer ISR: Werkt de systeemtijd bij en kan andere gebeurtenissen activeren op basis van de verstreken tijd.

7. Onderbrekingsafhandeling: De ISR voert de noodzakelijke acties uit om de interrupt aan te pakken, zoals:

* Onderhoud van het apparaat dat de onderbreking veroorzaakte.

* Systeemgegevens bijwerken.

* Mogelijk een andere taak plannen om uit te voeren.

8. Bevestiging onderbreken: De ISR geeft aan de interruptcontroller (of het apparaat) door dat de interrupt is afgehandeld. Dit wordt vaak gedaan om het interruptverzoek te wissen.

9. Contextherstel: Zodra de ISR klaar is met zijn werk, herstelt hij de eerder opgeslagen context (PC, registers, PSW) van de stapel. Dit herstelt effectief de CPU naar de staat waarin deze zich bevond *voor* de interrupt plaatsvond.

10. Terug naar onderbroken programma: De CPU hervat de uitvoering van het onderbroken programma op het punt waar het werd onderbroken (met behulp van de herstelde pc-waarde). Het programma gaat verder alsof er niets is gebeurd (op een kleine vertraging na).

Voordelen van interruptgestuurde besturingssystemen:

* Responsiviteit: Zorgt ervoor dat het systeem snel kan reageren op realtime gebeurtenissen (bijvoorbeeld sensormetingen, gebruikersinvoer).

* Efficiëntie: Voorkomt onnodige polling, waardoor CPU-tijd vrijkomt voor andere taken.

* Multitasken: Zorgt ervoor dat het besturingssysteem meerdere taken tegelijkertijd kan afhandelen door ertussen te schakelen op basis van interruptgebeurtenissen.

* Realtime ondersteuning: Essentieel voor realtime systemen die voorspelbare en tijdige reacties op gebeurtenissen vereisen.

Nadelen van door interrupts aangedreven besturingssystemen:

* Complexiteit: Het ontwerpen en debuggen van interrupthandlers kan complex zijn.

* Interruptie latentie: De tijd die nodig is om op een interrupt te reageren (interrupt-latentie) kan van cruciaal belang zijn in realtime systemen. Hoge latentie kan leiden tot gemiste deadlines of systeeminstabiliteit.

* Conflicten onderbreken: Onjuiste afhandeling van interrupts kan leiden tot conflicten tussen verschillende apparaten of softwarecomponenten.

* Racevoorwaarden: Gedeelde bronnen waartoe zowel interrupt-handlers als reguliere code toegang hebben, vereisen een zorgvuldige synchronisatie om race-omstandigheden te voorkomen.

Voorbeelden van door interrupts aangedreven besturingssystemen:

De meeste moderne besturingssystemen zijn interruptgestuurd, waaronder:

* Linux: Is sterk afhankelijk van interrupts voor apparaat-I/O, timerbeheer en systeemoproepen.

* Vensters: Gebruikt interrupts voor soortgelijke doeleinden als Linux.

* macOS: Ook een interruptgestuurd besturingssysteem.

* Realtime besturingssystemen (RTOS): Zoals FreeRTOS, VxWorks en QNX zijn specifiek ontworpen om interrupts met lage latentie en hoge voorspelbaarheid af te handelen.

Samenvattend is een interrupt-besturingssysteem een ​​krachtige en efficiënte manier om systeembronnen te beheren en realtime gebeurtenissen af ​​te handelen. Door te reageren op interrupts kan het besturingssysteem naadloos schakelen tussen taken en een responsieve en efficiënte computerervaring bieden. Het is echter van cruciaal belang om interrupthandlers zorgvuldig te ontwerpen en te implementeren om potentiële problemen te voorkomen.