Interrupt -Betriebssystem:Unterbrechungen ordnungsgemäß

Ein Interrupt-Betriebssystem (auch als interruptgetriebenes Betriebssystem bezeichnet) ist ein Betriebssystem, das stark auf Interrupts beruht Verwaltung und Kontrolle der Ausführung von Aufgaben. Anstatt kontinuierlich nach Ereignissen zu befragen oder sich auf strenge Zeitverstrichen zu verlassen, reagiert es auf Signale (Interrupts), die von Hardware- oder Softwarekomponenten generiert werden. , damit es mehrere Aufgaben effizient erledigt und auf Echtzeit-Ereignisse reagiert.

Stellen Sie sich das so vor:Sie sind ein Koch (die CPU), die eine Mahlzeit zubereitet (ein Programm). Anstatt ständig zu überprüfen, ob der Ofen fertig ist oder ob ein Timer ausgelöst ist, verlassen Sie sich auf die Ofenglocke (ein Interrupt) oder einen Timer (ein weiterer Interrupt), um Sie zu benachrichtigen, wenn Sie Maßnahmen ergreifen müssen. Auf diese Weise können Sie sich in der Zwischenzeit auf andere Aufgaben (Vorbereitung von Gemüse, Kochensauce) konzentrieren.

Wie es mit Unterbrechungen umgeht:

Der Prozess des Umgangs mit einem Interrupt folgt typischerweise folgenden Schritten:

1. Interrupt Request (IRQ) Erzeugung: Ein Hardware -Gerät (z. B. Tastatur, Netzwerkkarte, Festplattencontroller) oder eine Softwarekomponente (z. B. Timer, Systemaufruf) generiert eine Interrupt -Anforderung (IRQ). Dieses Signal teilt der CPU mit, dass ein Ereignis aufgetreten ist, das Aufmerksamkeit erfordert.

2. Controller unterbrechen: Der IRQ könnte über einen Interrupt -Controller (z. B. APIC - Advanced Programmierbares Interrupt -Controller) geleitet werden, der mehrere Interrupt -Anforderungen priorisiert. Dieser Controller stellt sicher, dass die wichtigsten Interrupts zuerst behandelt werden.

3. CPU setzt die aktuelle Ausführung aus: Nach Erhalt eines Interrupts setzt die CPU * die Ausführung des aktuellen Programms oder der aktuellen Aufgabe vorübergehend aus. Es hört nicht nur auf; Es rettet den aktuellen Zustand akribisch. Dies beinhaltet das Speichern Folgendes:

* Programmzähler (PC): Die Adresse der nächsten Anweisung, die ausgeführt wird.

* Register: Die Werte aller Register der CPU (z. B. Akkumulator, Stapelzeiger).

* Prozessorstatuswort (PSW): Enthält Flags, die den aktuellen Zustand der CPU anzeigen (z. B. Interrupt -Aktivierung/Deaktivieren, Trageflag).

4. Kontextsparung: Der gespeicherte Zustand des unterbrochenen Prozesses (PC, Register, PSW) ist als Kontext bekannt . Das Betriebssystem spart diesen Kontext normalerweise auf einem Stapel (oft im Kernel -Stapel), sodass er später wiederhergestellt werden kann.

5. Vektortabelle unterbrechen (IVT) SOKUP: Die CPU verwendet die Interrupt -Nummer (bereitgestellt vom Interrupt -Controller), um den entsprechenden Interrupt -Handler nachzuschlagen (oder Interrupt Service Routine - ISR) in der Interrupt -Vektor -Tabelle (IVT). Die IVT ist eine Tabelle im Speicher, in der Karten Zahlen zu den Adressen ihrer jeweiligen ISRs unterbrechen.

6. Interrupt Handler (ISR) Ausführung: Die CPU springt an die Adresse des ISR in der IVT gefunden und beginnt mit der Ausführung. Der ISR ist eine spezifische Routine, die für den jeweiligen Interrupt ausgelegt ist. Zum Beispiel:

* Tastatur ISR: Liest die vom Tastaturpuffer gedrückte Taste und speichert sie in einem Puffer.

* Festplatten -I/O ISR: Signalisiert die Fertigstellung einer Festplatte Lese-/Schreiboperation und kopiert Daten nach/aus dem Speicher.

* Timer ISR: Aktualisiert die Systemzeit und kann andere Ereignisse auf der Grundlage der verstrichenen Zeit auslösen.

7. Umgang mit Interrupt: Der ISR führt die erforderlichen Maßnahmen aus, um den Interrupt anzusprechen, z. B.:

* Wartung des Geräts, das den Interrupt verursacht hat.

* Systemdaten aktualisieren.

* Möglicherweise planen Sie eine andere Aufgabe zum Ausführen.

8. Bestürze Anerkennung: Die ISR -Signale an den Interrupt -Controller (oder das Gerät), mit dem der Interrupt behandelt wurde. Dies geschieht oft, um die Interrupt -Anfrage zu beseitigen.

9. Kontextwiederherstellung: Sobald der ISR seine Arbeit beendet hat, stellt sie den zuvor gespeicherten Kontext (PC, Register, PSW) aus dem Stapel wieder her. Dies stellt die CPU effektiv in den Staat zurück, in dem es sich befand, bevor der Interrupt auftrat.

10. Zurück zum unterbrochenen Programm: Die CPU setzt die Ausführung des unterbrochenen Programms an dem Punkt fort, an dem es unterbrochen wurde (unter Verwendung des restaurierten PC -Werts). Das Programm wird so fortgesetzt, als wäre nichts passiert (bis auf eine leichte Verzögerung).

Vorteile von Interrupt-gesteuerten Betriebssystemen:

* Reaktionsfähigkeit: Ermöglicht dem System, schnell auf Echtzeit-Ereignisse (z. B. Sensorwerte, Benutzereingabe) zu reagieren.

* Effizienz: Vermeidet unnötige Umfragen und befreit die CPU -Zeit für andere Aufgaben.

* Multi-Tasking: Ermöglicht dem Betriebssystem, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erledigen, indem sie basierend auf Interrupt -Ereignissen wechseln.

* Echtzeitunterstützung: Wesentlich für Echtzeitsysteme, die vorhersehbare und zeitnahe Antworten auf Ereignisse erfordern.

Nachteile von Interrupt-gesteuerten Betriebssystemen:

* Komplexität: Das Entwerfen und Debuggen von Interrupt -Handlern kann komplex sein.

* Latenz unterbrechen: Die Zeit, die es benötigt, um auf einen Interrupt (Interrupt-Latenz) zu reagieren, kann in Echtzeitsystemen von entscheidender Bedeutung sein. Eine hohe Latenz kann zu fehlenden Fristen oder Systeminstabilität führen.

* Interrupt -Konflikte: Eine unsachgemäße Interrupt -Handhabung kann zu Konflikten zwischen verschiedenen Geräten oder Softwarekomponenten führen.

* Rennbedingungen: Shared Ressourcen, auf die sowohl Interrupt -Handler als auch reguläre Code zugegriffen werden, erfordern eine sorgfältige Synchronisation, um Rennbedingungen zu vermeiden.

Beispiele für interrupt-gesteuerte Betriebssysteme:

Die meisten modernen Betriebssysteme werden unterbrochen gesteuert, darunter:

* Linux: Stützt sich stark auf Interrupts für Geräte -E/A, Timer -Management und Systemaufrufe.

* Windows: Verwendet Interrupts für ähnliche Zwecke wie Linux.

* macOS: Auch ein unterruptes Betriebssystem.

* Echtzeit-Betriebssysteme (RTOs): Freertos, vxWorks, QNX, sind speziell so konzipiert, dass sie Interrupts mit geringer Latenz und hoher Vorhersehbarkeit verarbeiten.

Zusammenfassend ist ein Interrupt-Betriebssystem eine leistungsstarke und effiziente Möglichkeit, Systemressourcen zu verwalten und Echtzeit-Ereignisse zu behandeln. Durch die Reaktion auf Interrupts kann das Betriebssystem nahtlos zwischen Aufgaben wechseln und ein reaktionsschnelles und effizientes Computererlebnis bieten. Es ist jedoch entscheidend, Interrupt -Handler sorgfältig zu entwerfen und umzusetzen, um potenzielle Probleme zu vermeiden.