что такое управление прерываниями
Что такое управление прерываниями? Для чего они нужны?
Важным элементом управления процессом вычисления в компьютере являются прерывания.
В частности, прерывание является средством обеспечения независимой параллельной работы различных устройств компьютера. С этой целью всегда, когда необходимо выполнить некоторую независимую операцию (например, ввод с клавиатуры), соответствующее устройство посылает процессору прерывание. По этому прерыванию процессор должен приостановить нормальный ход выполнения текущей программы и произвести некоторые промежуточные вспомогательные действия. Прерывание также возникает в случае появления ошибочных вычислений (например, в случае деления на ноль) или в случае сбоев при взаимодействии с устройствами компьютера.
Прежде, чем выполнить очередную команду, процессор проверяет, не поступило ли какое-то прерывание. Если поступило, то определяется номер прерывания. Затем процессор начинает выполнять стандартную программу обработки прерывания, соответствующую номеру полученного прерывания. Программа обработки прерывания прежде всего запоминает состояние регистров процессора и некоторых других параметров текущей программы, а затем выполняет действия, специфицированные прерыванием. В заключение программа обработки г восстанавливает состояние регистров процессора и возвращается к выполнению текущей программы (если другое действие не предусмотрено программой обработки прерывания).
Прерывание работы процессора по запросу внешних устройств устраняет необходимость выполнения им неэффективных операций по систематической проверке готовности внешних устройств к обмену данными и снижает затраты времени на ожидание готовности периферийного устройства к обмену. Прерывания необходимы при обмене данными с большим числом асинхронно работающих внешних устройств.
Что такое интерфейс операционной системы? Каков интерфейс МS DОS?
Все взаимодействие с операционной системой идет через запросы пользователя или прикладной программы к операционной системе и вывод результатов выполнения запроса в текстовой или графической форме. Способ, которым это взаимодействие организовано, называется пользовательским интерфейсом операционной системы. Например, в системе М 1)О запросы к ОС формулируются в форме текстовых команд, а ответы — в форме текстовых сообщений.
Система прерывания эвм. Управление прерываниями
ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств машины. Включает устройство в работу центральный процессор. Он передает устройству команду и все необходимые для ее исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций.
Можно считать, что центральный процессор Переключает свое «внимание» с устройства на устройство и с функции на функцию. Такое переключение определяется выполняемой ЦП программой.
Во время работы в ЦП поступает (и вырабатывается в нем самом) большое количество различных сигналов. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программа способна воспринять, обработать и учесть, составляют Поле зрения ЦП или другими словами — входят в зону его внимания.
Например, если процессором исполняется программа сложения двух двойных слов, которая анализирует регистр флагов ЦП, то в “поле ее зрения” находятся флаги микропроцессора, определяющие знаки исходных данных и результата, наличие переноса из тетрады или байта, переполнение разрядной сетки и др. Такая программа готова реагировать на любой из сигналов, находящихся в ее зоне внимания (а поскольку именно программа управляет работой ЦП, то она определяет и “зону внимания” центрального процессора). Но если во время выполнения такой программы нажать какую-либо клавишу, то эта программа “не заметит” сигнала от этой клавиши, так как он не входит в ее “поле зрения”.
Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, наступления которых он “не ожидает”, существует Система прерываний ЭВМ. При отсутствии системы прерываний все заслуживающие внимания события должны находиться в поле зрения процессора, что сильно усложняет программы и требует большой их избыточности. Кроме того, поскольку момент наступления события заранее не известен, процессор в ожидании какого-либо события может находиться длительное время, и чтобы не пропустить его появления, ЦП не может “отвлекаться” на выполнение какой-либо другой работы. Такой режим работы (режим сканирования ожидаемого события) связан с большими потерями времени ЦП на ожидание.
Кроме сокращения потерь на ожидание, режим прерываний позволяет организовать работу по диагностике и автоматическому восстановлению в момент возникновения нештатной ситуации, прервав выполнение основной работы таким образом, чтобы сохранить полученные к этому времени правильные результаты. Тогда как без режима прерываний обратить внимание на наличие неисправности система могла только после окончания выполняемой работы (или ее этапа) и получения неправильного результата.
Таким образом, система прерываний позволяет микропроцессору выполнять основную работу, не отвлекаясь на проверку состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости, или прервать выполняемую работу и переключиться на анализ возникшей ситуации сразу после ее появления.
Помимо требующих внимания нештатных ситуаций, которые могут возникнуть при работе микропроцессорной системы, процессору полезно уметь “переключать внимание” и на различные виды работ, одновременно выполняемые в системе. Поскольку управление работой системы осуществляется программой, этот вид прерываний должен формироваться программным путем.
В зависимости от места нахождения источника прерываний они могут быть разделены на Внутренние (программные и аппаратурные) и Внешние прерывания (поступающие в ЭВМ от внешних источников, например, от клавиатуры или модема).
Принцип действия системы прерываний заключается в следующем.
При выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяются содержимое регистров, счетчиков, состояние отдельных управляющих триггеров, т. е. изменяется состояние процессора. Информация о состоянии процессора лежит в основе многих процедур управления вычислительным процессом. Не вся информация одинаково актуальна, есть существенные элементы, без которых невозможно продолжение работы. Эта информация должна сохраняться при каждом “переключении внимания процессора”.
Совокупность значений наиболее существенных информационных элементов называется Вектором состояния или Словом состояния процессора (в некоторых случаях она называется Словом состояния программы).
Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы или повторного пуска ее с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора.
Вектор состояния формируется в соответствующем регистре процессора или в группе регистров, которые могут использоваться и для других целей.
Наборы информационных элементов, образующих векторы состояния, отличаются у ЭВМ разных типов.
При возникновении события, требующего немедленной реакции со стороны машины, ЦП прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенной для данного события, по завершении которой возвращается к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется Прерыванием.
Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается специальным сигналом, который называется Запросом прерывания. Программа, затребованная запросом прерывания, называется Обработчиком прерывания.
Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре (зафиксированных схемами контроля), переполнения разрядной сетки, деления на нуль, выхода за установленные для данной программы области памяти, затребования периферийным устройством операции ввода-вывода, завершения этой операции ввода-вывода или возникновения при этой операции особых условий и т. д.
Некоторые из этих запросов порождаются самой программой, но время их возникновения невозможно предсказать заранее.
При наличии нескольких источников запросов прерывания часть из них может поступать одновременно. Поэтому в ЭВМ устанавливается определенный порядок обслуживания поступающих запросов. Кроме того, в ЭВМ предусматривается Возможность разрешать или Запрещать прерывания определенных видов.
Все прерывания делятся на две группы: Прерывания базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input-Output System); Прерывания OS. Прерывания OS имеют более высокий уровень организации, чем прерывания BIOS, они строятся на использовании модулей BIOS в качестве элементов.
Прерывания делятся на три типа: Аппаратурные, логические и программные. Аппаратурные прерывания вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора: отказ питания; от таймера; от клавиатуры; от адаптера связи; устройства печати и др.
Запросы на логические прерывания вырабатываются внутри микропроцессора при появлении “нештатных” ситуаций: при попытке деления на 0; при переполнении разрядной сетки арифметико-логического устройства; при переводе микропроцессора в пошаговый режим работы; при достижении программой одной из контрольных точек. Последние два прерывания используются отладчиками программ для организации пошагового режима выполнения программ (трассировки) и для остановки программы в заранее намеченных контрольных точках.
Большие потоки трафика и управление прерываниями в Windows
Мне очень понравился топик про распределение нагрузки от прерываний сетевого адаптера по процессорам, поэтому я решил описать как это делается в Windows.
Disclaimer: судя по некоторым комментариям в предыдущих постах, мне стоит повторить то, с чего я начал первый пост: я не даю (и не могу давать) общеприменимых рецептов. Особенно это касается производительности, где мельчайшая неучтенная деталь может катастрофически повлиять на результат. Вернее рекомендацию то я даю: ТЕСТИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ. Смысл моей писанины в том, чтобы дать людям как можно больше информации для анализа, ведь, чем больше понимаешь в том, как что либо работает, тем легче находить пути устранения боттлнеков.
Итак, масштабируемость пропускной способности сети. Потребуется Windows Server 2003 SP2+. Сетевая карта, поддерживающая Receive Side Scaling (можно с достаточной долей уверенности сказать, что подойдет любая серверная сетевая карта, выпущенная в последние 5 лет или любая вообще 1Gb+ NIC, хотя частенько можно увидеть RSS и на 100Mb). Устанавливаем Windows Server и драйвера на карту…
ВСЕ. Настройка завершена. RSS по умолчанию включен во всех версиях Windows, в которых он поддерживается.
Тестирование
Возьмем не особо новый Dell-овый сервер с двумя четырехядерными ксеонами: 
На борту две двухпортовые 1Gb сетевые карты и одна 10Gb, но я не нашел 10Gb свитча, так что завести не удалось — ну да ладно:
Что интересно в этих картах, так это то, что несмотря на поддержку RSS в 8 очередей, они не поддерживают ни MSI-X ни даже MSI. Более того, из четырех доступных линий pin-based прерываний на каждый сетевой порт отведена только одна (соответственно никакими способами заставить прерывания приходить на разные процессоры уже нельзя — это аппаратное ограничение данной конфигурации). 10 гигабитка зарегистрировала на себя то ли 32 то ли 64 (на глаз) вектора прерываний, но ее использовать — не судьба. Сможет ли индусская поделка для запуска игр справиться с задачей?
На всякий случай проверяем RSS (хотя если его не будет — будет заметно и так):
Для начала выключим RSS (включал обратно я уже после тестирования, но том же окне)
и запустим нагрузочный тест:
Полностью загружены два ядра, все остальные простаивают
Сеть загружена на треть:
50% одного процессора забито обработакой прерываний, еще 20% того же процессора — обработка DPC. Остальное — tcpip стек и приложение, которое отдает трафик.
Включаем RSS (скриншот выше). Процессор:
Сеть:
Треть одного процессора забита прерываниями, но DPC отлично распараллелены.
В общем, на данной конфигурации можно было бы отдавать порядка 3 гигабит (с одной сетевой карты) и только тогда мы бы встретили бутылочное горлышко.
На всякий случай, скажу, что у RSS есть менее известный родственник — Send Side Scaling. Если перед посылкой списка буферов выставить значение хеша, то прерывание после завершения посылки будет доставлено в соответствии с установленными indirection table-ами.
Вот здесь можно почитать про RSS, а здесь есть неплохая презентация в картинках поясняющая работу RSS. Если интересно, могу попробовать своими словами описать механизмы работы RSS, но как по мне — лучше читать первоисточники.
TCP Offload Engine
Если нечто подобное RSS в Linux вот-вот появится (не нашел никаких упоминаний о поддержке нормального аппаратного RSS в Linux: кто знает — дайте ссылку — проапдейчу пост). То с TOE в Linux все официально сложно. Патч от Chelsio (один из производителей high-end сетевых карт), реализующий поддержку TOE, был отклонен, а вместо этого начались какие то совершенно идиотские отмазки (при прочтении стоит иметь в виду, что BSD и Windows имеют нормальную поддержку TOE уже много лет).
Итак, что же это такое? TOE — это полная реализация TCPIP на аппаратном уровне: с подтверждением доставки, ретрансмитами при ошибках, контролем окна и пр.: сетевая карта по DMA прямо из памяти берет данные, режет на пакеты, присоединяет хедеры, а рапортует (при помощи прерываний) только в самых крайних случаях.
По умолчанию TOE стоит в automatic режиме. Смотреть Chimney Offload State:
Скриншот снимался во время активного тестирования, но в статистике видно, что ни одного «выгруженного» в сетевую карту соединения нет (о причинах позже). Включем принудительно (и через некоторое время запрашиваем статистику):
А вот и причина: в данную сетевую карту можно выгрузить только 1024 соединения (но реально система смогла выгрузить 1022). Довольно дорогой ресурс, чтоб можно было выгружать все подряд. Система эвристически пытается обнаруживать соединения (get/put больших файлов по http, пересылка файлового контента на файл-серверах и т.п.), которые проживут долго и выгружает в первую очередь их.
Но все же глянем, что получилось. Процессор разгрузился втрое:
Очень сильно уменьшилось количество (и время проводимое в) как ISR так и DPC:
Прерывания в конвейеризированных процессорах
Наверняка вы знаете, что такое прерывания. Возможно, даже интересовались устройством процессора. Почти наверняка вы нигде не видели внятный рассказ про то, как именно процессор обнаруживает прерывание, переходит к обработчику и, самое главное, возвращается из него именно туда, куда положено.
Я писал эту статью год. Изначально она была рассчитана на хардварщиков. Понимание того, что я ее никогда не закончу, а также жажда славы и желание, чтобы ее прочло больше десяти человек, заставило меня адаптировать ее для относительно широкой аудитории, повыкидывав схемы, куски кода на Верилоге и километры временных диаграмм.
Если когда-нибудь вы задумывались над тем, что значат слова «the processor supports precise aborts» в даташите, прошу под кат.
Немного терминологии: процессор, процессы и прерывания
Процессор с параллельным выполнением команд может выполнять несколько команд одновременно. Например, процессор с четырехстадийным конвейером команд может одновременно записывать результаты первой команды, испонять вторую, декодировать третью и выбирать из памяти четвертую.
Точные и неточные прерывания
Программные прерывания и исключения могут быть точными или неточными. В некоторых случаях без точных исключений просто не обойтись — например, если в процессоре есть MMU (тогда, если случается промах TLB, управление передается соответствующему обработчику исключения, который программно добавляет нужную страницу в TLB, после чего должна быть возможность заново выполнить команду, вызвавшую промах).
В микроконтроллерах исключения могут быть неточными. Например, если команда сохранения вызвала исключение из-за ошибки памяти, то вместо того, чтобы пытаться как-то исправить ошибку и повторно выполнить эту команду, можно просто перезагрузить микроконтроллер и начать выполнять программу заново (то есть сделать то же самое, что делает сторожевой таймер, когда программа зависла).
В большинстве учебников по архитектуре компьютеров (включая классику типа Patterson&Hennessy и Hennessy&Patterson) точные прерывания обходятся стороной. Кроме того, неточные прерывания не представляют никакого интереса. По-моему, это отличные причины продолжить рассказ именно про точные прерывания.
Точные прерывания в процессорах с последовательным выполнением команд
Для процессоров с последовательным выполнением команд реализация точных прерываний довольно проста, поэтому представляется логичным начать с нее. Поскольку в каждый момент времени выполняется только одна команда, то в момент обнаружения прерывания все команды, предшествующие прерываемой, уже выполнены, а последующие даже не начаты.
Таким образом, для реализации точных прерываний в таких процессорах достаточно убедиться, что прерываемая команда никогда не обновляет состояние процесса до тех пор, пока не станет ясно, вызвала она исключение или нет.
Место, где процессор должен определить, позволить ли команде обновить состояние процесса или нет, называется точкой фиксации результатов (commit point). Если процессор сохраняет результаты команды, то есть команда не вызвала исключение, то говорят, что эта команда зафиксирована (на сленге — закоммичена).
Как можно догадаться, эту проблему довольно сложно решить, поэтому во многих процессорах для простоты реализованы «почти точные» прерывания, то есть точными сделаны все прерывания, кроме исключений, вызванных ошибками памяти при записи результатов. В этом случае точка фиксации результатов находится между третьим и четвертым этапами цикла команды.
Важно! Нужно помнить, что счетчик команд тоже должен обновляться строго после точки фиксации результатов. При этом он изменяется вне зависимости от того, зафиксирована команда или нет — в него записывается либо адрес следующей команды, либо вектор прерывания, либо РАВ.
Точные прерывания в процессорах с параллельным выполнением команд
На сегодняшний день процессоров с последовательным выполнением команд почти не осталось (могу вспомнить разве что аналоги интеловского 8051) — их вытеснили процессоры с параллельным выполнением команд, обеспечивающие при прочих равных более высокую производительность. Простейший процессор с параллельным выполнением команд — процессор с конвейером команд (instruction pipeline).
Несмотря на многочисленные преимущества, конвейер команд значительно усложняет реализацию точных прерываний, чем много десятков лет печалит разработчиков.
В процессоре с последовательным выполнением команд этапы цикла команды зависят друг от друга. Простейший пример — счетчик команд. Вначале он используется на этапе выборки (как адрес в памяти, откуда должна быть прочитана команда), затем на этапе исполнения (для вычисления его следующего значения), и потом, если команда зафиксирована, он обновляется на этапе записи результатов. Это приводит к тому, что нельзя выбрать следующую команду до тех пор, пока предыдущая не завершит последний этап и не обновит счетчик команд. То же самое относится и ко всем прочим сигналам внутри процессора.
Процессор с конвейером команд можно получить из процессора с последовательным выполнением команд, если сделать так, чтобы каждый этап цикла команды был независим от предыдущих и последующих этапов.
Обратите внимание на столбец СК («счетчик команд»). Его значение меняется каждый такт и определяет адрес в памяти, откуда выбирается команда.
Внимательный читатель уже заметил небольшую неувязочку — для обеспечения точности прерываний первая команда не имеет права изменить счетчик команд раньше четвертого такта. Чтобы это исправить, мы должны перенести счетчик команд за точку фиксации результата (предположим, что она находится между третьим и четвертым этапами):
Производительность процессора немного упала, не так ли? На самом деле, решение лежит на поверхности – нам нужно два счетчика команд! Один должен находиться в начале конвейера и указывать, откуда читать команды, второй – в конце, и указывать на ту команду, которая должна быть зафиксирована следующей.
Первый называется «спекулятивным», второй – «архитектурным». Чаще всего спекулятивный счетчик команд не существует сам по себе, а встроен в предсказатель переходов. Выглядит это вот так:
На этом все. Разумеется, показаный четырехстадийный конвейер прост до невозможности. На самом деле, некоторые команды могут исполняться более одного такта, и даже простой микроконтроллер умеет завершать их не в том порядке, в котором он запустил их на выполнение, при этом обеспечивая точность прерываний. Однако общий принцип организации прерываний, смею вас заверить, остается тем же.
Прерывания и особые случаи
Прерывания и особые случаи
Механизм прерывания обеспечивается соответствующими аппаратно-программными средствами компьютера.
Классификация прерываний представлена на рис. 7.1.
Запросы аппаратных прерываний возникают асинхронно по отношению к работе микропроцессора и связаны с работой внешних устройств.
Запрос от немаскируемых прерываний поступает на вход NMI микропроцессора и не может быть программно заблокирован. Обычно этот вход используется для запросов прерываний от схем контроля питания или неустранимых ошибок ввода/вывода.
Для запросов маскируемых прерываний используется вход INT микропроцессора. Обработка запроса прерывания по данному входу может быть заблокирована сбросом бита IF в регистре флагов микропроцессора.
Программные прерывания делятся на следующие типы.
Порядок обработки прерываний
Прерывания и особые случаи распознаются на границах команд, и программист может не заботиться о состоянии внутренних рабочих регистров и устройств конвейера.
Обработка запросов прерываний состоит из:
Для того чтобы микропроцессор мог идентифицировать источник прерывания и найти обработчик, соответствующий полученному запросу, каждому запросу прерывания присвоен свой номер ( тип прерывания ).
Всего микропроцессор различает 256 типов прерываний. Таким образом, все они могут быть закодированы в 1 байте.
«Рефлекторные» действия микропроцессора по обработке запроса прерывания выполняются аппаратными средствами МП и включают в себя:
В IDT могут храниться только дескрипторы следующих типов:
Шлюзы ловушки и прерывания сходны со шлюзом вызова, только в них отсутствует поле счетчика WC (рис. 7.4). Так как прерывание является неожиданным событием и не связано с текущей программой, говорить о передаче параметров их обработчику не приходится.
Бит присутствия P может быть равен как 0, так и 1.
При входе в обработчик через шлюз ловушки флаг IF не меняется.