Interrupción del sistema operativo:manejo de interrupciones con gracia
Un sistema operativo de interrupción (también conocido como un sistema operativo impulsado por la interrupción) es un sistema operativo que depende en gran medida de interrumpir Para administrar y controlar la ejecución de tareas. En lugar de sondear continuamente para eventos o depender de una estricta cita de tiempo, reacciona a las señales (interrupciones) generadas por componentes de hardware o software , permitiéndole manejar de manera eficiente múltiples tareas y responder a eventos en tiempo real.
Piense en ello así:eres un chef (la CPU) preparando una comida (ejecutar un programa). En lugar de verificar constantemente si el horno está listo o si un temporizador se ha ido, confía en la campana del horno (una interrupción) o un temporizador (otra interrupción) para notificarle cuando necesita tomar medidas. Esto le permite concentrarse en otras tareas (preparar vegetales, salsa de cocina) mientras tanto.
Cómo maneja las interrupciones:
El proceso de manejo de una interrupción generalmente sigue estos pasos:
1. Solicitud de interrupción (IRQ) Generación: Un dispositivo de hardware (por ejemplo, teclado, tarjeta de red, controlador de disco) o un componente de software (por ejemplo, temporizador, llamada del sistema) genera una solicitud de interrupción (IRQ). Esta señal le dice a la CPU que ha ocurrido un evento que necesita atención.
2. Controlador de interrupción: El IRQ podría enrutarse a través de un controlador de interrupción (por ejemplo, controlador de interrupción programable APIC - avanzado) que prioriza múltiples solicitudes de interrupción. Este controlador asegura que las interrupciones más importantes se manejen primero.
3. CPU suspende la ejecución actual: Al recibir una interrupción, la CPU * temporalmente * suspende la ejecución del programa o tarea actual. No solo se detiene; Salva meticulosamente el estado actual. Esto implica guardar lo siguiente:
* contador de programa (PC): La dirección de la siguiente instrucción que se ejecutará.
* Registros: Los valores de todos los registros de la CPU (por ejemplo, acumulador, puntero de pila).
* Palabra de estado del procesador (PSW): Contiene banderas que indican el estado actual de la CPU (por ejemplo, Interrupt Enable/deshabilitar, Carry Blag).
4. Guardado de contexto: El estado guardado del proceso interrumpido (PC, Registers, PSW) se conoce como el contexto . El sistema operativo generalmente guarda este contexto en una pila (a menudo la pila del núcleo) para que se pueda restaurar más adelante.
5. Tabla de vector de interrupción (IVT) Búsqueda: La CPU utiliza el número de interrupción (proporcionado por el controlador de interrupción) para buscar el manejador de interrupción correspondiente (o Rutina de servicio de interrupción - ISR) en la tabla de vectores de interrupción (IVT). El IVT es una tabla en la memoria que mapea los números de interrupción a las direcciones de sus respectivos ISR.
6. Ejecución de controlador de interrupción (ISR): La CPU salta a la dirección del ISR que se encuentra en el IVT y comienza a ejecutarla. El ISR es una rutina específica diseñada para manejar la interrupción particular. Por ejemplo:
* teclado ISR: Lee la tecla presionada desde el búfer del teclado y la almacena en un búfer.
* Disco I/o ISR: Se indica la finalización de una operación de lectura/escritura de disco y copia los datos de/desde la memoria.
* Temporizador ISR: Actualiza el tiempo del sistema y puede activar otros eventos basados en el tiempo transcurrido.
7. Manejo de interrupciones: El ISR realiza las acciones necesarias para abordar la interrupción, como:
* Servicio del dispositivo que causó la interrupción.
* Actualización de datos del sistema.
* Posiblemente programando otra tarea para ejecutarse.
8. Reconocimiento de interrupción: Las señales ISR al controlador de interrupción (o dispositivo) que la interrupción se ha manejado. Esto a menudo se hace para eliminar la solicitud de interrupción.
9. Restauración del contexto: Una vez que el ISR ha terminado su trabajo, restaura el contexto previamente guardado (PC, Registers, PSW) de la pila. Esto restaura efectivamente la CPU al estado en el que estaba * antes de * que ocurrió la interrupción.
10. Regrese al programa interrumpido: La CPU reanuda la ejecución del programa interrumpido en el punto donde se interrumpió (usando el valor de PC restaurado). El programa continúa como si no hubiera pasado nada (excepto por un ligero retraso).
Ventajas de los sistemas operativos impulsados por la interrupción:
* Capacidad de respuesta: Permite que el sistema reaccione rápidamente a eventos en tiempo real (por ejemplo, lecturas de sensores, entrada del usuario).
* Eficiencia: Evita las encuestas innecesarias, liberando el tiempo de CPU para otras tareas.
* multitarea: Permite que el sistema operativo maneje múltiples tareas simultáneamente cambiando entre ellas en función de eventos de interrupción.
* Soporte en tiempo real: Esencial para los sistemas en tiempo real que requieren respuestas predecibles y oportunas a los eventos.
Desventajas de los sistemas operativos impulsados por la interrupción:
* Complejidad: El diseño y la depuración de los manejadores de interrupción pueden ser complejos.
* Interrupción de latencia: El tiempo que lleva responder a una interrupción (latencia de interrupción) puede ser crítico en los sistemas en tiempo real. La alta latencia puede conducir a plazos o inestabilidad del sistema.
* Conflictos de interrupción: El manejo inadecuado de la interrupción puede conducir a conflictos entre diferentes dispositivos o componentes de software.
* Condiciones de carrera: Los recursos compartidos accedidos tanto por los manejadores de interrupción como por el código regular requieren una cuidadosa sincronización para evitar condiciones de carrera.
Ejemplos de sistemas operativos impulsados por la interrupción:
La mayoría de los sistemas operativos modernos están impulsados por las interrupciones, incluyendo:
* Linux: Se basa en gran medida en las interrupciones para la E/S del dispositivo, la gestión del temporizador y las llamadas al sistema.
* Windows: Utiliza interrupciones para fines similares que Linux.
* macOS: También un sistema operativo impulsado por la interrupción.
* Sistemas operativos en tiempo real (RTO): Como Freertos, VXWorks, QNX, están diseñados específicamente para manejar las interrupciones con baja latencia y alta previsibilidad.
En resumen, un sistema operativo de interrupción es una forma poderosa y eficiente de administrar los recursos del sistema y manejar eventos en tiempo real. Al responder a las interrupciones, el sistema operativo puede cambiar sin problemas entre tareas y proporcionar una experiencia informática receptiva y eficiente. Sin embargo, es crucial diseñar e implementar cuidadosamente los manejadores de interrupciones para evitar posibles problemas.