Interrupt-Controller
Interrupt-Controller: Interrupt-Signale von Komponenten des Rechners entgegen zu nehmen, und die CPU über das Vorliegen von einem (oder mehreren) Interrupts zu informieren.
→ Die CPU ist dann für die Abarbeitung des Interrupts zuständig.
→ Dies geschieht, indem eine sogenannte Interruptbehandlungsroutine aufgerufen wird.
Interruptbehandlungsroutine (ISR): eine Reihe von Anweisungen, die einem bestimmten Interrupt zugeordnet ist und deren Anweisungen auf einer CPU ausgeführt werden können.
Keine negative Beeinträchtigung
→ Interrupt unterbrochene Prozess muss später ohne negative Beeinträchtigung weiter ausgeführt werden können
→ Das vom Prozess erarbeitete Ergebnis darf sich nicht unterscheiden
Einen Interrupt nennt man eine präzise Unterbrechung, falls alle der folgenden Bedingungen erfüllt sind:
- Der Programmzähler des unterbrochenen Prozesses wird an einer bekannten Stelle gesichert.
- Alle Befehle des unterbrochenen Prozesses, die vor dem Befehl ausgeführt werden müssen, auf den der Programmzähler zeigt, sind vollständig abgearbeitet.
- Kein Befehl des unterbrochenen Prozesses, der nach dem Befehl ausgeführt werden muss, auf den der Programmzähler zeigt, ist bereits abgearbeitet.
- Der Ausführungszustand des Befehls des unterbrochenen Prozesses, auf den der Programmzähler zeigt, ist bekannt.
Einen Interrupt nennt man eine unpräzise Unterbrechung, falls mindestens eine der für einen präzisen Interrupt genannten Bedingungen nicht erfüllt ist.
Gründe für eine Interrupt-Auslösung:
- Auslösung aufgrund einer Speicherschutzverletzung.
- Auslösung durch einen Hardware-Taktgeber zur quasi-gleichzeitigen Ausführung mehrerer Prozesse.
- Auslösung durch ein E/A-Gerät während der Kommunikation zwischen CPU und E/A-Gerät
Speicherschutzverletzung
→ Stellt das Steuerwerk während der Abarbeitung eines Prozesses fest, dass der aktive Prozess auf einen Speicherbereich im Hauptspeicher zugreifen möchte, der ihm selbst nicht zugeordnet ist, so handelt es sich um eine Speicherschutzverletzung, die durch einen Interrupt angezeigt wird.
→Reaktion: Speicherschutzverletzung verursachende Prozess wird ohne zu speichern beendet
Interruptablauf - Beispiel: Eine Datei soll in den RAM-Speicher innerhalb eines Prozesses abgespeichert werden.
1. CPU schickt Anforderung eines Datenworts an die Festplatte und führt danach einen Kontextwechsel aus
2. HD löst Interrupt aus. Interrupt wird an Interrupt-Controller gesendet und in Queue gespeichert.
3. Der Interrupt-Controller meldet den Interrupt dem Steuerwerk.
4. Nach letzten Execute-Phase des aktuellen Prozesses werden Registerinhalte gesichert. Die Interruptbehandlungsroutine wird ausgeführt. Datenwort wird mit Speicherzelle und Befehl (wirte) wird an Hauptspeicher geschickt (Adressbus, Databus, Steuerbus)
Kontextwechsel
- Festplatte braucht mehr Zeit als die CPU
- CPU macht beim Warten einen Kontextwechsel -> ein anderer Prozess wird abgearbeitet
-
Während Kontextwechsels werden Registerinhalte des vorherigen Prozesses gesichert und des neuen Prozesses geladen.
Kontextwechsel versus Interrupt
Der Unterschied zwischen Kontextwechsel und Interrupt, ist die Dauer der Unterbrechung
Kontextwechsel: sehr aufwendig, da viele Informationen auf unterschiedliche Register abgespeichert werden
Interrupt: arbeitet mit dem ISR und somit handelt es sich nur um ein Programm, dass für sich selbst sichert
Gründe für eine Interrupt-Auslösung
- Auslösung aufgrund einer Speicherschutzverletzung
- Auslösung durch einen Hardware-Taktgeber zur quasi-gleichzeitigen Ausführung mehrerer Prozesse.
- Auslösung durch ein E/A-Gerät während der Kommunikation zwischen CPU und E/A-Gerät.
Quasi-gleichzeitige Ausführung mehrerer Prozesse
→ indem sich die betreffenden Prozesse in kleinen Zeiteinheiten auf der CPU abwechseln
WER oder WAS bestimmt, wann es Zeit ist, einen Prozess zu unterbrechen und die CPU einem anderen Prozess zuzusprechen?
WER oder WAS bestimmt, welcher Prozess als nächstes die CPU bekommt?
Hardware-Taktgeber löst in sehr kleinen zeitlichen Abständen einen Interrupt auslöst
→ Wird entschieden, dass es Zeit für einen Prozesswechsel auf CPU ist, so kann ein anderer Teil des Betriebssystems aufgerufen werden, der den nächsten Prozess auswählt und ihm die CPU übergibt.
Kommunikation mit E/A-Geräte (Festplatte/Monitor/Maus/Tastatur/...)
→ CPU kommuniziert nicht direkt mit diesen Komponenten, sondern mit einem Controller, speziell für die Komponente zuständig
- Steuerregister
- Datenregister: Datenwort hinterlegen
- Zustandsregister
Datentransfer und Interrupts
- Die CPU sendet die Adresse des gewünschten Datenwortes an den Festplatten-Controller.
- Der Festplatten-Controller besorgt das Datenwort von der Festplatte und stellt es in seinem Datenregister zur Verfügung.
- Der Festplatten-Controller sendet einen Interrupt zum Interrupt-Controller.
- Der Interrupt-Controller nimmt den Interrupt entgegen und verwaltet ihn.
- Der Interrupt-Controller informiert die CPU über den Interrupt des Festplatten-Controllers.
- Die CPU startet die zugehörige Interruptbehandlungsroutine.
- Die Behandlungsroutine kopiert das Datenwort in ein Register auf der CPU.
- Die Behandlungsroutine sendet das Datenwort von der CPU zum Hauptspeicher.
- Der Hauptspeicher legt das Datenwort in der gewünschten Speicherzelle ab.
- Die Interruptbehandlungsroutine informiert den Interrupt-Controller darüber, dass der Interrupt fertig behandelt ist.