|
Système d'exploitation d'interruption :gérer les interruptions avec élégance
Un système d'exploitation à interruption (également appelé système d'exploitation piloté par interruption) est un système d'exploitation qui s'appuie fortement sur les interruptions. gérer et contrôler l’exécution des tâches. Au lieu d'interroger en permanence les événements ou de s'appuyer sur un découpage temporel strict, il réagit aux signaux (interruptions) générés par les composants matériels ou logiciels , lui permettant de gérer efficacement plusieurs tâches et de répondre aux événements en temps réel.
Pensez-y comme ceci :vous êtes un chef (le processeur) préparant un repas (exécutant un programme). Au lieu de vérifier constamment si le four est prêt ou si une minuterie s'est déclenchée, vous comptez sur la cloche du four (une interruption) ou une minuterie (une autre interruption) pour vous avertir lorsque vous devez agir. Cela permet de se concentrer sur d'autres tâches (préparer les légumes, cuisiner la sauce) en attendant.
Comment il gère les interruptions :
Le processus de gestion d'une interruption suit généralement ces étapes :
1. Génération de demande d'interruption (IRQ) : Un périphérique matériel (par exemple, un clavier, une carte réseau, un contrôleur de disque) ou un composant logiciel (par exemple, une minuterie, un appel système) génère une demande d'interruption (IRQ). Ce signal indique au processeur qu'un événement s'est produit et nécessite une attention particulière.
2. Contrôleur d'interruption : L'IRQ peut être acheminée via un contrôleur d'interruption (par exemple, APIC - Advanced Programmable Interrupt Controller) qui donne la priorité à plusieurs demandes d'interruption. Ce contrôleur garantit que les interruptions les plus importantes sont traitées en premier.
3. Le processeur suspend l'exécution en cours : À la réception d'une interruption, le CPU suspend *temporairement* l'exécution du programme ou de la tâche en cours. Cela ne s'arrête pas simplement; il sauvegarde méticuleusement l'état actuel. Cela implique de sauvegarder les éléments suivants :
* Compteur de programme (PC) : L'adresse de la prochaine instruction à exécuter.
* Registres : Les valeurs de tous les registres du CPU (par exemple, accumulateur, pointeur de pile).
* Mot d'état du processeur (PSW) : Contient des indicateurs qui indiquent l'état actuel du processeur (par exemple, activation/désactivation d'interruption, indicateur de report).
4. Sauvegarde du contexte : L'état enregistré du processus interrompu (PC, registres, PSW) est appelé contexte . Le système d'exploitation enregistre généralement ce contexte sur une pile (souvent la pile du noyau) afin qu'il puisse être restauré ultérieurement.
5. Recherche dans la table vectorielle d'interruption (IVT) : Le processeur utilise le numéro d'interruption (fourni par le contrôleur d'interruption) pour rechercher le gestionnaire d'interruption correspondant. (ou routine de service d'interruption - ISR) dans la table des vecteurs d'interruption (IVT). L'IVT est une table en mémoire qui mappe les numéros d'interruption aux adresses de leurs ISR respectifs.
6. Exécution du gestionnaire d'interruptions (ISR) : La CPU passe à l'adresse de l'ISR trouvée dans l'IVT et commence à l'exécuter. L'ISR est une routine spécifique conçue pour gérer une interruption particulière. Par exemple:
* Clavier ISR : Lit la touche enfoncée dans le tampon du clavier et la stocke dans un tampon.
* ISR d'E/S disque : Signale la fin d’une opération de lecture/écriture sur disque et copie les données vers/depuis la mémoire.
* Minuterie ISR : Met à jour l’heure du système et peut déclencher d’autres événements en fonction du temps écoulé.
7. Gestion des interruptions : L'ISR effectue les actions nécessaires pour résoudre l'interruption, telles que :
* Réparation de l'appareil qui a provoqué l'interruption.
* Mise à jour des données du système.
* Possibilité de planifier l'exécution d'une autre tâche.
8. Accusé de réception d'interruption : L'ISR signale au contrôleur d'interruption (ou périphérique) que l'interruption a été traitée. Ceci est souvent fait pour effacer la demande d'interruption.
9. Restauration du contexte : Une fois que l'ISR a terminé son travail, il restaure le contexte précédemment enregistré (PC, registres, PSW) depuis la pile. Cela restaure efficacement le processeur dans l'état dans lequel il se trouvait *avant* l'interruption.
10. Retour au programme interrompu : La CPU reprend l'exécution du programme interrompu au point où il a été interrompu (en utilisant la valeur PC restaurée). Le programme continue comme si de rien n'était (sauf un léger retard).
Avantages des systèmes d'exploitation pilotés par interruption :
* Réactivité : Permet au système de réagir rapidement aux événements en temps réel (par exemple, les relevés des capteurs, les entrées de l'utilisateur).
* Efficacité : Évite les interrogations inutiles, libérant ainsi du temps CPU pour d'autres tâches.
* Multitâche : Permet au système d'exploitation de gérer plusieurs tâches simultanément en basculant entre elles en fonction des événements d'interruption.
* Assistance en temps réel : Indispensable pour les systèmes en temps réel qui nécessitent des réponses prévisibles et rapides aux événements.
Inconvénients des systèmes d'exploitation pilotés par interruption :
* Complexité : La conception et le débogage des gestionnaires d’interruptions peuvent être complexes.
* Latence d'interruption : Le temps nécessaire pour répondre à une interruption (latence d’interruption) peut être critique dans les systèmes temps réel. Une latence élevée peut entraîner des délais non respectés ou une instabilité du système.
* Conflits d'interruption : Une mauvaise gestion des interruptions peut entraîner des conflits entre différents appareils ou composants logiciels.
* Conditions de course : Les ressources partagées accessibles à la fois par les gestionnaires d'interruptions et par le code standard nécessitent une synchronisation minutieuse pour éviter les conditions de concurrence.
Exemples de systèmes d'exploitation pilotés par interruption :
La plupart des systèmes d'exploitation modernes sont pilotés par interruptions, notamment :
* Linux : S'appuie fortement sur les interruptions pour les E/S des appareils, la gestion des minuteries et les appels système.
* Windows : Utilise des interruptions à des fins similaires à celles de Linux.
* macOS : Également un système d'exploitation piloté par interruption.
* Systèmes d'exploitation en temps réel (RTOS) : Tels que FreeRTOS, VxWorks, QNX, sont spécialement conçus pour gérer les interruptions avec une faible latence et une prévisibilité élevée.
En résumé, un système d'exploitation d'interruption est un moyen puissant et efficace de gérer les ressources système et de gérer les événements en temps réel. En répondant aux interruptions, le système d'exploitation peut basculer de manière transparente entre les tâches et offrir une expérience informatique réactive et efficace. Cependant, il est crucial de concevoir et d’implémenter soigneusement les gestionnaires d’interruptions pour éviter des problèmes potentiels.
|
