Zdarzenie w systemie komputerowym wymagające przerwania wykonania bieżącego strumienia instrukcji i przekazania sterowania do systemu operacyjnego
Podział sytuacji wyjątkowych
Przerwa
-
Powstają poza procesorem
-
za wyjątkiem asynchronicznego przerwania programowego
-
Asynchroniczne względem wykonywanego strumienia instrukcji
-
ich wystąpienie nie jest bezpośrednim wynikiem wykonania konkretnej instrukcji
-
Służą do sygnalizacji zdarzeń istotnych dla systemu operacyjnego
-
zmiana kontekstu rządzeń zewnętrznych, np.
-
wciśnięcie klawisza na klawiaturze, przesunięcie myszy
-
nadejście pakietu z sieci lokalnej
-
zakończenie transmisji danych do/z pamięci masowej
-
upłynięcie określonego odcinka czasu
-
timer systemowy służący do periodycznego przełączania procesów w systemie wieloprocesowym
-
"budzenie" procesu o określonym czasie
Pułapki
-
Generowane przez procesor
-
Powodowane przez konkretną instrukcję, na końcu wykonania instrukcji
-
ściśle synchroniczne względem instrukcji
-
Rodzaje:
-
wywołanie usługi systemu operacyjnego przez program użytkowy (często niezbyt fortunnie nazywana "przerwaniem programowym")
-
MIPS - instrukcja SYSCALL
-
sygnalizacja błędów wykonania wykrytych przez program użytkowy do systemu operacyjnego
-
MIPS - instrukcje ADD, SUB - w przypadku wystawienia nadmiaru generują pułapkę
-
x86 - instrukcje dzielenia DIV, IDIV, AAM generują pułapkę przy nadmiarze
-
pułapka śledzenia (tracę trap) - wygenerowana po wykonaniu dowolnej instrukcji przy ustawionym trybie śledzenia
Błędy
-
Generowane na ogół przez procesor
-
zarówno przez jednostkę wykonawczą jak i przez jednostkę zarządzania pamięcią
-
wyjątek - błąd transmisji - generowany poza procesorem
-
Wynikają z wykonywanych instrukcji, ale nie zawsze w sposób jednoznaczny
-
Służą do sygnalizacji błędnych i niedozwolonych zachowań oprogramowania i sprzętu
-
próba wykonania niezdefiniowanej instrukcji
-
błąd wyrównania przy dostępie do pamięci
-
naruszenie zasad ochrony
-
Wykorzystywane do implementacji systemu pamięci wirtualnej
Obsługa wyjątków
-
Każdy wyjątek musi być obsłużony
-
Istnieją dwa pojęcia obsługi:
-
na poziomie oprogramowania - reakcja programowa systemu operacyjnego na zdarzenie
-
np. przesłanie kolejnej porcji danych do urządzenia zgłaszającego gotowość
-
przełączenie procesów przy przerwaniu timera
-
na poziomie procesora - zespół czynności, których efektem jest zaniechanie wykonywania bieżącego strumienia instrukcji i rozpoczęcie wykonanie programowej procedury systemu operacyjnego
-
obsługa wyjątku przez system operacyjny rozpoczyna się z chwilą zakończenia obsługi wyjątku przez procesor
Obsługa wyjątku przez procesor - fazy
-
Rozpoznanie i identyfikacja źródła wyjątku
-
Przerwanie wykonania strumienia instrukcji i zapamiętanie bieżącego kontekstu procesora
-
Załadowanie nowego kontekstu procesora i rozpoczęcie wykonywania nowego strumienia instrukcji - procedury systemowej zapewniającej programową reakcję systemu na wyjątek
Identyfikacja wyjątku
-
Jeśli wyjątek powstał w procesorze (pułapka, błąd) - procesor zna dokładną jego przyczynę
-
identyfikacja jest zbędna
-
Przerwania:
-
w zależności od budowy systemu przerwań identyfikacja może być przerowadzona później przez oprogramowanie albo w chwili wykrycia wyjątku - przez sprzęt procesora
-
identyfikacja przez procesor wymaga przeprowadzenia zapytania, w postaci specjalnego cyklu transmisji - cyklu identyfikacji przerwania
-
w odpowiedzi na cykl identyfikacji procesor otrzymuje z zewnątrz identyfikator przerwania w postaci liczby o długości od 4 do 9 bitów
-
x86 - 8 bitów
-
M88k - 9 bitów
-
mikrokontrolery 8- i 16-bitowe - 4..8 bitów
-
identyfikator jest generowany przez układ arbitrażu przerwań
Zapamiętanie kontekstu
-
Co zapamiętywać?
-
informacje o stanie procesora, które zostaną samoczynnie zmodyfikowane przez procesor w czasie obsługi wyjątku
-
zawsze PC i rejestr stanu z informacjami systemowymi
-
rejestry uniwersalne jest zbędne, bo może to zrobić oprogramowanie
-
informacje niezbędne do rozpoznania dokładnej przyczyny wyjątku, a które mogą zostać zamazane w trakcie wykonania programu
-
informacje o odwołaniu do pamięci przy błędzie dostępu
-
Gdzie zapamiętywać?
-
w miejscu naturalnym dla danej architektury
-
CISC - na stosie
-
RISC - zwykle w rejestrach
-
Po co?
-
powrót po obsłudze
-
komunikat diagnostyczny w przypadku usunięcia błędnego procesu
Składanie kontekstu - licznik instrukcji
-
Zapamiętywany w celu powrotu do przerwanego programu lub wyświetlenia komunikatu o błędzie
-
Podczas wyjątku wartość nextPC nie zawsze jest dostępna
-
błędy przerywają wykonanie instrukcji - instrukcja niedokończona
-
Zapamiętywana wartość:
-
nextPC - wskazuje na następną instrukcję po tej. w czasie której wykryto wyjątek
-
przerwania
-
pułapki wywołania systemu i śledzenia
-
currentPC - wskazuje na bieżącą instrukcję
-
pułapki sygnalizujące bład wykonania (potrzebna identyfikacja miejsca błędu)
-
błędy - wykonanie instrukcji było niemożliwe - jeśli nastąpi powrót, to ponownie do tej samej instrukcji
-
Niektóre procesory RISC zapamiętują nextPC+4 lub nextPC+8
Zmiany kontekstu systemowego w czasie obsługi wyjątku
-
Obsługa wyjątku powoduje zawsze przejście w tryb systemowy
-
podczas wystąpienia wyjątku procesor mógł być w trybie systemowym lub użytkownika
-
należy zapamiętać poziom zaufania z chwili wystąpienia wyjątku
-
Przy obsłudze wyjątku jest wyłączany tryb śledzenia
-
bit śledzenia znajduje się w rejestrze stanu procesora
-
Przy obsłudze przerwania procesor zmienia poziom wrażliwości na przerwanie
-
należy zapamiętać poziom wrażliwości (tzw. maskę przerwań) z chwili wystąpienia przerwania
-
Wszystkie powyższe informacje znajdują się zwykle w systemowym rejestrze stanu procesora
-
podczas obsługi wyjątków należy zapamiętać systemowy rejestr stanu
Składowanie PC i rejestru stanu
-
W procesorach RISC:
-
zawartość PC i SR kopiowana do rejestrów cieni
-
alternatywa - przełączenie banku rejestrów (w procesorach z oddzielnymi rejestrami do obsługi wyjątków)
-
W procesorach CISC:
-
PC i SR zapamiętywane na stosie
-
program użytkowy nie daje gwarancji integralności stosu
-
wartość SP może być nieważna
-
kontekst jest składowany na stosie systemowym
-
każdemu poziomowi zaufania odpowiada oddzielny stos
-
kolejność czynności:
-
utworzenie tymczasowej kopii rejestru stanu
-
przełączenie w tryb systemowy (modyfikacja rejestru stanu)
-
zapamiętanie tymczasowej kopii rejestru stanu na stosie systemowym
Przełączanie stosów w procesorach CISC
-
Każdemu poziomowi zaufania odpowiada oddzielny stos
-
Przy zmianie poziomu zaufania następuje przełączenie stosów
-
można to zrealizować na dwa sposoby
-
oddzielny rejestr wskaźnika stosu dla każdego poziomu zaufania (np. M68k)
-
przeładowanie wskaźnika stosu przez procesor przy użyciu wartości zapisanych w pamięci (np. x86)
-
Na danym poziomie zaufania oprogramowanie może mieć dostęp do własnego wskaźnika stosu i wskaźników stosów poziomów mniej zaufanych
-
oprogramowanie systemowe może inicjować wskaźnik stosu użytkownika
-
instrukcje dostępu do alternatywnych wskaźników stosu są dozwolone tylko w trybie systemowym
Informacje potrzebne do obsługi błędu
-
Błąd różni się od innych wyjątków tym, że uniemożliwia wykonanie bieżącej instrukcji
-
nextPC jest niedostępny lub nieważny - zapamiętuje się currPC
-
Błąd sygnalizowany przez MMU może wynikać z pobrania instrukcji lub z dostępu do danych
-
do identyfikacji przyczyny błędu potrzebna jest informacja o adresie i rodzaju odwołania, które spowodowało błąd
-
sam adres instrukcji nie umożliwia jednoznacznej identyfikacji przyczyny błędu
-
Niektóre architektury umożliwiają wykonywa nie odwołań w trybie systemowym z poziomem zaufania użytkownika
-
ułatwia to ochronę systemu
-
poziom zaufania odwołania musi być w takim przypadku zapamiętany niezależnie od poziomu zaufania procesora
Informacje zapamiętywane przy błędzie strony - x86
-
Na stosie systemowym:
-
rejestr stanu procesora
-
adres instrukcji, która spowodowała błąd
-
kod błędu - słowo 32-bitowe
-
bit 0 - 0 - deskryptor nieważny, 1 - błąd ochrony
-
bit 1 - 0 - błąd podczas odczytu, 1 - błąd podczas zapisu
-
bit 2 - 0 - błąd w trybie systemowym. 1 - błąd w trybie użytkownika
-
bit 3 - 1 jeśli w deskryptorze strony napotkano ustawiony bit zarezerwowany
-
bit 4 - 1 jeśli błąd powstał podczas pobierania instrukcji
-
W rejestrze systemowym CR2
-
adres odwołania, które spowodowało błąd
System przerwań
-
Procesor może pracować na wielu poziomach priorytetowych, różniących się wrażliwością na przerwania
-
"jednopoziomowy" system przerwań (np. x86) - dwa poziomy
-
przerwania zablokowane
-
przerwania odblokowane
-
wielopoziomowy system przerwań - 3..16 poziomów wrażliwości
-
przerwania przypisane do poziomów priorytetowych
-
przerwania od szybkich urządzeń - wyższe poziomy
-
przerwania od wolnych urządzeń - niższe poziomy
-
Informacja o aktualnym poziomie wrażliwości jest przechowywana w rejestrze stanu procesora
-
jest to tzw. maska przerwań
-
poziom może być zmieniany tylko przez oprogramowanie systemowe
-
wykonanie niektórych procedur jądra wymaga zablokowania przerwań (sekcje krytyczne)
Zmiany poziomu wrażliwości
-
Podczas obsługi przerwania procesor modyfikuje poziom wrażliwości tak, aby nie były przyjmowane następne przerwania o poziomie tym samym lub niższym, co aktualnie obsługiwane
-
w przypadku jednopoziomowego systemu przerwań oznacza to zablokowanie przerwań
-
Ponieważ poziom jest samoczynnie zmieniany, dotychczasowy poziom musi być zapamiętany podczas obsługi przerwania
-
Istnieją przerwania obsługiwane niezależnie od ustawionego w procesorze poziomu maski przerwań - są to tzw. przerwania niemaskowalne
-
przerwań niemaskowalnych używa się do sygnalizacji sytuacji krytycznych, np. awarii zasilania
Załadowanie nowego kontekstu
-
Po zapamiętaniu informacji potrzebnych do obsługi wyjątku i ew. powrotu z tej obsługi, procesor rozpoczyna wykonania systemowej procedury obsługi wyjątku
-
nowe wartości są ładowane do licznika instrukcji, rejestru stanu. ew. niektórych architekturach - również do innych rejestrów
-
Typowe rozwiązania:
-
wspólny punkt wejścia dla wszystkich wyjątków, procedura obsługi identyfikuje rodzaj wyjątku na drodze programowej i wywołuje odpowiedni podprogram (np. MIPS)
-
kilka lub kilkanaście ustalonych adresów początkowych procedur obsługi wyjątków (niektóre mikrokontrolery)
-
tablica adresów lub struktur danych opisujących procedury obsługi -tzw. wektorowy system przerwań - stosowany w większości procesorów uniwersalnych i w bardziej rozbudowanych mikrokontrolerach
Wektorowy system obsługi wyjątków
-
Informacja uzyskana w fazie identyfikacji źródła wyjątku ma postać liczby
-
W pamięci jest przechowywana tablica, której każdy element zawiera informacje potrzebne do wywołania procedury obsługi wyjątku
-
tablica ta zajmuje ustalone miejsce w przestrzeni adresowej (zwykle na początku lub na końcu) albo jest wskazyany przez specjalny rejestr systemowy
-
W zależności od architektury, element tablicy może zawierać:
-
adres początkowy procedury (np. M68k)
-
jedną lub więcej instrukcji procedury (zwykle jest to instrukcja skoku do właściwej procedury) - ARM, '51, Alpha AXP
-
deskryptor zawierający adres początkowy procedury i inne informacje - x86
Wyjątki w x86
Wyjątki w ARM7
-
Procesor rozpoznaje 8 wyjątków
-
0 - inicjowanie systemu
-
1 - niezidentyfikowana instrukcja
-
2 - pułapka wywołania systemu (SWI - software interrupt)
-
3 - błąd pobrania instrukcji
-
4 - błąd dostępu do danych
-
5 - (pusty)
-
6 - przerwanie (IRQ)
-
7 - przerwanie szybkie (FIQ)
-
Podczas obsługi następuje skok do adresu 4*numer_wyjątku
-
pod adresem tym znajduje się instrukcja skoku do właściwej procedury obsługi
-
dla ostatniego wyjątku - przerwania szybkiego - procedura może zaczynać się od adresu 0x1C, bo jest to ostatni element tablicy
ARM7 - obsługa wyjątków
Powrót z obsługi wyjątku
-
Nie z każdej obsługi wyjątku powrót jest możliwy
-
błąd ochrony może wymagać zamknięcia programu
-
Powrót polega na odtworzeniu informacji zapamiętanych podczas obsługi (co najmniej PC i rejestr stanu)
-
służy do tego specjalna instrukcja powrotu z obsługi wyjątku
-
instrukcja ta jest dozwolona wyłącznie w trybie systemowym, w przeciwnym razie użytkownik mógłby załadować nową wartość rejestru stanu i zmienić poziom zaufania na systemowy
-
W praktyce systemów operacyjnych obsługa wyjątku często kończy się przełączeniem procesu
-
„powrót" z wyjątku następuje do innego strumienia instrukcji, niż strumień przerwany przez wyjątek
-
wykorzystywany mechanizm jest identyczny jak przy powrocie do przerwanego strumienia instrukcji
Asynchroniczne przerwanie programowe
-
Mechanizm implementowany w niektórych procesorach
-
pożyteczny w systemach czasu rzeczywistego
-
Umożliwia zgłoszenie asynchronicznego, maskowalnego przerwania przez sam procesor
-
Przerwanie zostaje obsłużone, gdy poziom wrażliwości procesora na przerwania osiągnie odpowiednią wartość
-
Zwykle używa się tego mechanizmu do zgłoszenia przerwania o niższym priorytecie z procedury obsługi przerwania o wyższym priorytecie
-
cel: kontynuacja akcji wynikających z przerwania przy zachowaniu możliwości reakcji na przerwania o niższych priorytetach
-
można w ten sposób uniknąć inwersji priorytetów, czyli sytuacji, gdy procesor wykonuje czynność o niskim priorytecie jednocześnie nie obsługując przerwania o wyższym priorytecie
Błąd podwójny
-
Podczas obsługi sytuacji wyjątkowych procesory CISC wykonują serię odwołań do pamięci (składowanie kontekstu, ładowanie nowego kontekstu) nie wynikających z wykonania instrukcji
-
Podczas tych odwołań procesor nie ma ważnej wartości licznika instrukcji
-
Odwołania te mogą spowodować błąd związany z zarządzaniem pamięcią
Inicjowanie działania procesora - Reset
-
W wielu procesorach inicjowanie działania jest traktowane jako wyjątek o najwyższym priorytecie
-
Powoduje natychmiastowe przekazanie sterowania pod ustalony adres
-
Nie wymaga składowania kontekstu
Priorytety sytuacji wyjątkowych
-
Priorytet określa pilność obsługi danego wyjątku
-
Dwa aspekty priorytetów odpowiadają dwóm pojęciom obsługi
-
na poziomie procesora
-
na poziomie systemu operacyjnego
-
Priorytety na poziomie systemu - wynikają z pilności zdarzenia
-
przerwania - krytyczne czasowo
-
pułapki (wywołanie systemu) - decyduje o wydajności aplikacji
-
błędy- usunięcie programu, pamięć wirtualna
-
Priorytety na poziomie procesora - wynikają z logicznej sekwencji czynności w procesorze
-
błędy - w razie błędu nie można zakończyć wykonania instrukcji
-
pułapki - obsługa stanowi ostatnią fazę wykonania instrukcji
-
przerwania - obsługiwane po zakończeniu wykonania instrukcji
