2.3.4 Interrupt-Controller

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<loop_area type="task">'''Aufgabe 1'''
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Prüfe für jede der vier Bedingungen einer präzisen Unterbrechung, ob diese '''tatsächlich erfüllt''' ist!
Prüfe für jede der vier Bedingungen einer präzisen Unterbrechung, ob diese '''tatsächlich erfüllt''' ist!
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* Ist Bedingung 4 erfüllt? Erläutere warum!
* Ist Bedingung 4 erfüllt? Erläutere warum!
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<loop_area type="task">'''Aufgabe 2'''
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Beschreibe ein Szenario, bei dem jeweils eine der vier Bedingungen einer präzisen Unterbrechung '''nicht erfüllt''' ist.
Beschreibe ein Szenario, bei dem jeweils eine der vier Bedingungen einer präzisen Unterbrechung '''nicht erfüllt''' ist.
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* Was sind die Folgen, wenn Bedingung 4 nicht erfüllt ist?
* Was sind die Folgen, wenn Bedingung 4 nicht erfüllt ist?
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<loop_area type="task">'''Aufgabe 3'''
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Im [http://youtu.be/_wVNpUW3kdM Video] wird gezeigt, wie der aktuelle Wert des Befehlszählers bei einer Unterbrechung in einem anderen Register gesichert wird. Alle weiteren Register oder die Statusflags werden hingegen nicht gesichert.
Im [http://youtu.be/_wVNpUW3kdM Video] wird gezeigt, wie der aktuelle Wert des Befehlszählers bei einer Unterbrechung in einem anderen Register gesichert wird. Alle weiteren Register oder die Statusflags werden hingegen nicht gesichert.
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* Welche Vor- und/oder Nachteile hat diese Verfahrensweise?
* Welche Vor- und/oder Nachteile hat diese Verfahrensweise?
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<loop_area type="task">'''Aufgabe 4'''
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Im [http://youtu.be/_wVNpUW3kdM Video] werden in den Registern PC und IR jeweils Werte abgelegt, die aus vier Bit bestehen.
Im [http://youtu.be/_wVNpUW3kdM Video] werden in den Registern PC und IR jeweils Werte abgelegt, die aus vier Bit bestehen.
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* Wieviele Bit erwartest du hier bei deinem eigenen PC oder Laptop?
* Wieviele Bit erwartest du hier bei deinem eigenen PC oder Laptop?
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Version vom 24. September 2013, 11:03 Uhr

Der Interrupt-Controller ist ein weiterer Hardware-Baustein in der Architektur eines Computers. Seine Aufgabe besteht darin, Interrupt-Signale von verschiedenen 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 (kurz: ISR, Interrupt Service Routine) aufgerufen wird.

Die deutsche Übersetzung des englischen Begriffs "Interrupt" ist "Unterbrechung". Und genau diese Unterbrechung eines laufenden Prozesses passiert in dem Moment, wo sich die CPU entschließt, einen vom Interrupt-Controller angezeigten Interrupt zu bearbeiten.

Den vereinfachten Ablauf zeigt das folgende Video:

video

YouTube

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 Med. : Interrupt-Controller (01:30)
http://youtu.be/ML9mwQ5TyzI
CC-BY

Im Video ist erkennbar, dass der Interrupt-Controller als eigenständige Hardware-Komponente über den Systembus mit anderen Komponenten und insbesondere mit der CPU kommuniziert.

Cpu13-interrupt-controller.jpg
 Abb. : CPU mit Interrupt-Controller
CC-BY

Vnrgesamt2.jpg
 Abb. : Interrupt-Controller im Gesamtbild
CC-BY

Hinweis

Weiterführende Literatur

erläutert in den Kapiteln 8.1 (Interrupts) und 8.2 (Ausnahmen) weitere Hintergründe zu den genannten Themen. Die Lektüre dieser Quelle sei ausdrücklich empfohlen.

Studierende sind oftmals berechtigt, eine PDF-Version dieses Buches ohne entstehende Kosten über ihre Hochschulen von Springerlink zu beziehen.

Es ist an dieser Stelle wichtig zu verstehen was genau passiert, wenn ein Interrupt auftritt und von der CPU bearbeitet wird. Die Beschreibung oben auf dieser Seite ist noch recht allgemein gehalten, weshalb jetzt einige entscheidende Details betrachtet werden sollen.

Ein entscheidendes Kriterium bei der Abarbeitung eines Interrupts durch die CPU ist, dass der durch den Interrupt unterbrochene Prozess später ohne negative Beeinträchtigung weiter ausgeführt werden kann. Das vom Prozess erarbeitete Ergebnis darf sich nicht unterscheiden, egal, ob während der Abarbeitung ein (oder mehrere) Interrupt(s) auftrat(en), oder nicht. Erreicht wird dieses durch eine präzise Unterbrechung.

Definition

Definition: Präzise Unterbrechung (Precise interrupt)

Einen Interrupt nennt man eine präzise Unterbrechung, falls alle der folgenden Bedingungen erfüllt sind:

  1. Der Programmzähler des unterbrochenen Prozesses wird an einer bekannten Stelle gesichert.
  2. Alle Befehle des unterbrochenen Prozesses, die vor dem Befehl ausgeführt werden müssen, auf den der Programmzähler zeigt, sind vollständig abgearbeitet.
  3. Kein Befehl des unterbrochenen Prozesses, der nach dem Befehl ausgeführt werden muss, auf den der Programmzähler zeigt, ist bereits abgearbeitet.
  4. Der Ausführungszustand des Befehls des unterbrochen Prozesses, auf den der Programmzähler zeigt, ist bekannt.

Definition

Definition: Unpräzise Unterbrechung (Imprecise interrupt)

Einen Interrupt nennt man eine unpräzise Unterbrechung, falls mindestens eine der für einen präzisen Interrupt genannten Bedingungen nicht erfüllt ist.

Das folgende Video zeigt ein Beispiel, anhand dessen nachvollzogen werden kann, was genau bei einem Interrupt passiert, und ob die Bedingungen für eine präzise Unterbrechung erfüllt werden.

video

YouTube

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 Med. : Was passiert bei einem Interrupt? (02:14)
http://youtu.be/_wVNpUW3kdM
CC-BY

Mit Hilfe dieses Videos ist es nun möglich, die folgenden Aufgaben zu bearbeiten:

Aufgabe
 Aufg. : Aufgabe 1

Prüfe für jede der vier Bedingungen einer präzisen Unterbrechung, ob diese tatsächlich erfüllt ist!

  • Ist Bedingung 1 erfüllt? Erläutere warum!
  • Ist Bedingung 2 erfüllt? Erläutere warum!
  • Ist Bedingung 3 erfüllt? Erläutere warum!
  • Ist Bedingung 4 erfüllt? Erläutere warum!

Aufgabe
 Aufg. : Aufgabe 2

Beschreibe ein Szenario, bei dem jeweils eine der vier Bedingungen einer präzisen Unterbrechung nicht erfüllt ist.

  • Was sind die Folgen, wenn Bedingung 1 nicht erfüllt ist?
  • Was sind die Folgen, wenn Bedingung 2 nicht erfüllt ist?
  • Was sind die Folgen, wenn Bedingung 3 nicht erfüllt ist?
  • Was sind die Folgen, wenn Bedingung 4 nicht erfüllt ist?

Aufgabe
 Aufg. : Aufgabe 3

Im Video wird gezeigt, wie der aktuelle Wert des Befehlszählers bei einer Unterbrechung in einem anderen Register gesichert wird. Alle weiteren Register oder die Statusflags werden hingegen nicht gesichert.

  • Wenn das Steuerwerk nicht für die Sicherung dieser Werte zuständig ist, wer oder was ist es dann?
    (Auf verschiedenen anderen Seiten dieses Moduls ist die Antwort auf Wer-oder-was-Fragen stets "Das Betriebssystem", aber diese Antwort ist an dieser Stelle nicht zugelassen, sie ist viel zu allgemein.)
  • Wo können diese Werte gesichert werden?
  • Welche Vor- und/oder Nachteile hat diese Verfahrensweise?

Aufgabe
 Aufg. : Aufgabe 4

Im Video werden in den Registern PC und IR jeweils Werte abgelegt, die aus vier Bit bestehen.

  • Wie realisitisch sind diese vier Bit?
  • Wieviele Bit erwartest du hier bei deinem eigenen PC oder Laptop?

Gründe für eine Interrupt-Auslösung

Es gibt eine ganze Reihe an Gründen für eine Interrupt-Auslösung. Näher betrachtet werden hier die Folgenden:

  • 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.

In den folgenden Unterkapiteln werden diese Punkte näher erläutert.


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