Systemy operacyjne

1. Systemy operacyjne Wykład 3 Praca systemu komputerowego dr inż. Wojciech Bieniecki Instytut Nauk Ekonomicznychi Informatyki http://wbieniec.kis.p.lodz.pl/pwsz

2. Architektura systemu komputerowego Procesor, pamięć i urządzenia I/O podłączone są do wspólnej szyny (magistrali) W rzeczywistych systemach mamy do czynienia z kilkoma fizycznymi magistralami (PCI, ISA, USB, ...)

3. Praca systemu komputerowego Procesor i urządzenia wejścia-wyjścia mogą pracować współbieżnie Każdy kontroler we-wy obsługuje jeden typ urządzeń Każdy kontroler posiada lokalny bufor Procesor przesyła dane do/z pamięci oraz do/z lokalnych buforów Wejście/wyjście przeprowadzane jest pomiędzy lokalnym buforem kontrolera a urządzeniem. Kontroler informuje o zakończeniu operacji zgłaszając przerwanie. System operacyjny opiera swoje działanie na przerwaniach.

4. System przerwań Projektanci systemów operacyjnych dążąc do zwiększenia efektywności wykorzystania systemów komputerowych dążyli do równoległego wykorzystania urządzeń we/wy i procesora. Aby umożliwić pracę urządzeń we/wy współbieżnie z pracą procesor należy zapewnić mechanizmy umożliwiające poinformowanie procesora o rozpoczęciu lub zakończeniu operacji we/wy. Są dwie metody pozyskania takich informacji implementacja systemu przerwań pooling - odpytywanie

5. Pooling Sposobem określenia stanu urządzeń jest okresowe „odpytywanie” przez procesor urządzeń, co powoduje opóźnienia w wykonywaniu wszystkich procesów. Dodatkową trudnością jest określenie interwału czasowego pomiędzy kolejnymi pytaniami (nie za długi, nie za krótki). Metoda ta jest wykorzystywana w tych procesorach, które nie obsługują mechanizmu przerwań

6. Zadania systemu przerwań Do najważniejszych zadań systemu przerwań zaliczamy rozpoznawanie źródła przerwania i zapewnienie odpowiedniej kolejności obsługi wielu urządzeń, które mogą jednocześnie żądać obsługi. Te dwie najważniejsze funkcje systemu przerwań można realizować programowo lub sprzętowo. Poinformowanie procesora o wystąpieniu przerwania odbywa się poprzez specjalne wejście procesora - INT. Dodatkowe zadania systemu przerwań: możliwość blokowania systemu przerwań przez procesor, ignorowanie niektórych urządzeń zgłaszających przerwanie, możliwość przerywania programu obsługi dowolnego przerwania przez przerwanie o wyższym priorytecie.

7. Przerwania sprzętowe Przerwanie zewnętrzne – jest informacją o wystąpieniu asynchronicznego zdarzenia zewnętrznego w stosunku do procesora. Jest niezależne od aktualnie wykonywanych przez procesor instrukcji, na przykład. Zakończenie transmisji danych. Nadejście pakietu z sieci. Przerwanie zegara. Błąd parzystości pamięci

8. Przerwania sprzętowe Przerwanie wewnętrzne (wyjątki) – generowane wewnętrznie przez procesor. Jest związane z aktualnie wykonywaną instrukcją, która powoduje wystąpienie błędu (ang. Fault, exception) w pracy procesora – Dzielenie przez zero – Przepełnienie stosu – Brak strony w pamięci (w przypadku implementacji stronicowania) – Brak segmentu – Naruszenie mechanizmów ochrony.

9. Przerwania programowe Z kodu programu wywoływana jest procedura obsługi przerwania. To przerwanie najczęściej wykorzystywane do komunikacji z systemem operacyjnym. Przykłady: zdanie db  "Ala ma kota $"  movah, 9     ; kod funkcji wyświetlania na ekran mov    dx, zdanie ; przekazanie parametrów int    21h       ; wyświetl tekst tekst db 20 ; tablica znaków movah, 0ah ; kod funkcji odczytu klawiatury mov dx, tekst ; ustaw bufor int 21h ; pobierz dane mov al, 04h; ust. kurs. myszymov cx, 1 mov dx, 1 int 33h  mov al, 03h ;odczyt my. int 33h

10. Przykład przerwania

11. Obsługa przerwania Przerwanie musi przekazywać sterowanie do procedury obsługi przerwania. Typowa realizacja polega na zarezerwowaniu ciągu słóww pamięci głównej gdzie przechowuje się adresy procedur obsługi przerwań pochodzących od różnych urządzeń. Tablica ta nazywana wektorem przerwań jest indeksowana jednoznacznym numerem urządzenia. W żądaniu przerwania przekazywany jest ów unikalnyw systemie numer urządzenia dzięki czemu wykonywana jest właściwa procedura obsługi przerwania dla danego urządzenia.

12. odczyt wejść obliczenia wysterowaniewyjść Procedura obsługi przerwania Ciąg rozkazów realizujących pożądaną reakcję na przerwanie. otwarciezaworuzrzutowego

13. fragment procedury obsługi przerwania: D O B R Z E fragment programu tła: fragment programu tła: fragment procedury obsługi przerwania: Ź L E ... A:=200 B:=44 A:=A+B M[201]:=A ... ... A:=200 B:=44 A:=A+B M[201]:=A ... A,Bstos ... B:=11 A:=B*B M[101]:=A ... stosB,A ... B:=11 A:=B*B M[101]:=A ... Program tła Inaczej program główny- sekwencja działań (rozkazów) mikroprocesora realizowanych gdy nie ma przerwań UWAGA: obsługa przerwania nie powinna zakłócać działania programu M[201]=132M[101]=121 M[201]=244M[101]=121

14. program tła c.d. programu tła INT IE Struktura procedury obsługi przerwania • Składowanie na stosie rejestrów roboczych. IE – rejestr maski blokujący przerwania • Rozpoznanie (dokładne) przyczyny przerwania. • Skasowanie przyczyny przerwania. • Dodatkowa obróbka informacji. • Odtworzenie rejestrów roboczych ze stosu. • Odblokowanie przerwań. • Powrót do zawieszonego programu. 1 2 3 4 5 6 7

15. 1 2 6 1 2 6 1 2 6 itd. 1 2 6 1 2 6 program tła INT IE Obsługa przerwania – błędy logiczne 1. odblokowanie przerwań (6) następuje przed skasowaniem przyczyny przerwania (3).

16. ciągłe, cykliczne wykonywanie obsługi przerwania program tła INT IE 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 albo z pojedynczym rozkazem z programu tła program tła INT IE Obsługa przerwania – błędy logiczne 2. Brak skasowania przyczyny przerwania (3):

17. 1 2 3 4 5 7 program tła c.d. programu tła INT IE Obsługa przerwania – błędy logiczne 3. Brak odblokowania systemu przerwań (6):

18. 1 2 3 4 5 6 7 program tła wykonanie przypadkowych kodów INT IE Rejestr C Rejestr C Rejestr B Rejestr B PC PC Rejestr A Rejestr A adres powrotu adres powrotu stos : stos : Obsługa przerwania – błędy logiczne 4. Błędne odtworzenie rejestrów ze stosu (nie bilansujące się zapisy i odczyty na stosie):

19. CPU kontrolerprzerwań I/O1 I/O2 I/On Priorytetowość przerwań Zróżnicowanie co do ważności (pilności) zadań realizowanych przez system mikroprocesorowy. Zadaniami tymi mogą być procedury obsługi przerwań – różnicując ich pilność dokonuje się określenia priorytetów poszczególnych przerwań; Priorytetowość przerwań może być zrealizowana sprzętowo przez odpowiednie kontrolery.

20. priorytety: 1>2>...>n CPU Vcc Vcc I/O1 I/O2 I/On Priorytetowość przerwań może być zrealizowana sprzętowo przez odpowiednią strukturę połączeń systemu przerwań (np. łańcuch urządzeń przerywających);

21. Priorytetowość przerwań Priorytetowość przerwań może być zrealizowana programowo poprzez wspólny początek procedur obsługi przerwań będący arbitrem systemu przerwań (rozpoznaje źródła aktualnych przerwań i decyduje o kolejności ich obsługi) CPU Vcc I/O1 I/O2 I/On

22. CPU Vcc I/O1 I/O2 I/On 2 3 4 5 6 7 program tła c.d. programu tła 1 INTX Priorytetowość przerwań Może być zrealizowana programowo przez programowy arbiter systemu przerwań z indywidualnym sprawdzaniem (pooling) urządzeń przerywających PASP

23. CPU Vcc I/O1 I/O2 I/On 2 3 4 5 6 7 program tła c.d. programu tła 1 INTX Priorytetowość przerwań Może być zrealizowana programowo przez programowy arbiter systemu przerwań z grupowym sprawdzaniem urządzeń przerywających PASP

24. System przerwań • Wielopoziomowość systemu przerwań - dopuszczenie do zawieszenia aktualnie realizowanej procedury obsługi przerwania w celu realizacji innej, zwykle o wyższym priorytecie, procedury obsługi nowo zgłoszonego przerwania. • Wektorowość systemu przerwań - przypisanie każdemu źródłu przerwania odrębnej procedury jego obsługi, uruchamianej bezpośrednio w reakcji na zgłoszenie tego przerwania. • Wektorowość można uzyskać: • przez specjalizowane kontrolery systemów przerwań, np. 8259A; • w niektórych rodzinach mikroprocesorowych, np. Z80. • Brak wektorowości -> programowy arbiter systemu przerwań. • Wektorowość przerwań – typowe rozwiązanie w mikrokontrolerach.

25. CPU INT Vcc cyklrozkazowy n-1 cyklrozkazowy n cyklrozkazowy n+1 I/O1 I/O2 I/O3 INT1 INT2 INT3 chwila testowania wejścia przerwań przez CPU INT Asynchroniczność przerwań • Przerwania jako zdarzenia z różnych źródeł pojawiają się w dowolnych chwilach czasu, zupełnie niezależnie od siebie kolejnośćpojawieniasięprzerwań (z pkt.widzenia CPU): 1 i 3 (jednocześnie), 2

26. T P2 T P1 P2 P3 Dt2 Dt3 2 1 2 3 Systemy obsługi przerwań Jednopoziomowy bez priorytetów Cechy: Opóźnienia (Dt2 , Dt3) w reakcji na przerwanie; możliwość zgubienia przerwania podczas tych opóźnień; maksymalny czas zwłoki w obsłudze danego przerwania może być równy sumie czasów obsługi pozostałych przerwań w systemie. System stosowany w małych systemach mikroprocesorowych przy 1..2 źródłach przerwań.

27. T P2 T P3 P2 P1 Dt2 Dt1 2 3 1,2 Systemy obsługi przerwań Jednopoziomowy z priorytetami priorytety: 3>2>1 pozorna jednoczesnośćwystąpienia przerwań Cechy: można wskazać ważniejsze przerwania, których obsługa będzie miała pierwszeństwo przed pozostałymi opóźnienia (Dt1 , Dt2) w reakcji na przerwanie przerwania o niższych priorytetach mogą długo czekać na obsługę możliwość zgubienia przerwania podczas tych opóźnień System stosowany przy niewielkiej liczbie źródeł przerwań.

28. T P2 P1 T P3 P2 P1 2 P3 T 2 1 3 2 1 Systemy obsługi przerwań Wielopoziomowy bez priorytetów Cechy: każde przerwanie jest natychmiast obsługiwane proces obsługi dowolnego przerwania może zostać zawieszony na dość długo przez procedury obsługi pozostałych przerwań System bardzo rzadko stosowany.

29. T P2 P1 T P1 P2 P3 2 P1 T 2 1 1 2 3 Systemy obsługi przerwań Wielopoziomowy z priorytetami priorytety: 3>2>1 Cechy: przerwania o niskich priorytetach dłużej czekają na obsługę można przyśpieszyć obsługę ważniejszych przerwań System zalecany przy większej liczbie źródeł przerwań.

30. Rodzaje przerwań • Przerwania zegarowe – regularne, o f > 1Hz: • odmierzanie odcinków czasu (np. w ms); • pomiar czasu astronomicznego; • w małych systemach mikroprocesorowych: obsługa urządzeń zewnętrznych (klawiatur, wyświetlaczy, itd.). • Przerwania od urządzeń zewnętrznych – nieregularne • Informują mikroprocesor o: • gotowości urządzenia do nowej transmisji informacji; • zakończeniu dotychczasowej transmisji. • Przerwania od układów kontroli pracy systemu – sporadyczneZwykle o wysokim priorytecie: sygnalizują szczególne stan pracy: • zanik zasilania; • błąd parzystości w bloku pamięci; • załamanie się cyklu pracy oprogramowania; • błąd/wyjątek procesora/koprocesora. • Przerwania od układów sprzężenia z obiektem – nieregularne • Informują mikroprocesor o różnych zdarzeniach w kontrolowanym obiekcie: • zadziałanie krańcówek alarmowych; • przekroczenie poziomów alarmowych, itp.

31. Programowalny układ przerwań 8259A (x86)

32. Programowalny układ przerwań 8259A W układzie 8259A można wyróżnić trzy rejestry: IMR – rejestr maski, IRR – rejestr zgłoszenia przerwania, ISR – rejestr obsługi przerwania. PIC (ProgrammableInterruptController)

33. Programowalny układ przerwań Cechy Żądania obsługi zgłaszane są na liniach IR0-IR7. Ustawiając odpowiedni bit w rejestrze maski można wymusić ignorowanie przerwań na wybranej linii. Jeżeli odpowiedni bit w rejestrze maski jest wyzerowany to informacja o wystąpieniu przerwania jest przekazywana dalej i powoduje ustawienie odpowiedniego bitu w rejestrze IRR. Przerwania mają ustalony priorytet, który maleje wraz ze wzrostem numeru wejścia.

34. Programowalny układ przerwań – zasada działania Układ oceny priorytetu wybiera przerwanie o najwyższym priorytecie i aktywuje sygnał INT, informujący procesor o konieczności obsługi przerwania.

35. Programowalny układ przerwań – zasada działania Jeśli obsługa przerwań nie jest programowo zablokowana (bit IE w rejestrze stanu procesora) to procesor reaguje sygnałem gotowości przyjęcia przerwania na linii ~INTA. Wyjście ~INTA procesora jest połączone z wejściem ~INTA układu 8259A.

36. Programowalny układ przerwań – zasada działania c.d. Następnie wybrany przez układ oceny priorytetu bit rejestru IRR jest przekazywany do rejestru ISR (Interrupt Service Register). Procesor wysyła drugi impuls ~INTA, na który kontroler przerwań odpowiada wystawieniem na szynę danych D0-D7 wektora przerwań.

37. Programowalny układ przerwań – zasada działania c.d. Bity 7-3 stanowią offset, który można ustalić na etapie programowania kontrolera a bity 2-0 numer bitu ustawionego w rejestrze ISR. Procesor traktuje ten bajt jako numer procedury obsługi przerwania i przechodzi do jej wykonywania.

38. Programowalny układ przerwań – zasada działania c.d. W przypadku gdy kontroler pracuje w trybie AEOI (Automatic End Of Interrupt) to w momencie przejścia do wykonywania procedury obsługi przerwania zerowany jest odpowiedni bit rejestru ISR. Wyzerowanie bitu w rejestrze ISR oznacza gotowość kontrolera do przyjęcia następnego przerwania.

39. Kaskadowe łączenie układów do wejść przerywających jednego sterownika 8259 master przyłączane są wyjścia INTA z innych sterowników. Każdy przyłączony sterownik zwiększa liczbę wejść przerywających o 8, a więc umożliwia nam to osiągnięcie 64 poziomów przerwań na jedną kaskadę.

40. Programowalny układ przerwań 8259A dziś Układ 8259A został wchłonięty przez jeden z bloków chipset’uSouth Bridge i emuluje się tylko jego funkcje przy zachowaniu zgodności na poziomie rejestrów.