از نظر مجازی . تمام کامپیوتر ها راهکاری را فراهم می کنند تا قطعات دیگر (مثل I/O و حافظه ) ،در کار عادی پردازنده وقفه ایجاد کنند .جدول زیر متداول ترین وقفه ها را نشان می دهد .
جدول : دسته بندی وقفه ها
برنامه وقفه هایی که در اثر بعضی از شرایط حاصل از اجرایی یک دستور العمل ،مثل سرریز ، تقسیم بر صفر ، سعی در اجرای دستور العمل نامعتبر ماشین ، و خروج از فضای حافظه مجازی رخ می دهند .
تایمر وقفه ای که توسط تایمر موجود در پردازنده ایجاد می شود . این وقفه موجب می شود سیستم عامل بعضی از اعمال را به طور منظم انجام دهد .
I/O وقفه ای که توسط کنترلگر I/O ایجاد می شود تا کامل شدن یک عملیات یا وجود خطاهایی را در انجام عملیات اعلان کند .
خرابی سخت افزار این وقفه در اثر خرابی های مثل خرابی منبع تغذیه یا خطای توازن در حافظه رخ می دهد .
وقفه ها ابتدا برای بهبود کارایی پردازنده ایجاد شدند . به عنوان مثال ، اغلب دستگاه های I/O خیلی کندتر از پردازند ه اند . فرض کنید پردازنده ای بر اساس الگوی چرخ داده هایی را به چاپگر ارسال می کند پس از هر عملیات نوشتن ، پردازنده باید متوقف شود و منتظر بماند تا چاپگر آمادگی خودش را اعلان کند . مدت این انتظار ممکن است صدها یا هزاران برابر چرخه های دستور العملی باشد که با حافظه کار ندارند . بدیهی است که زمان CPU به هدر می رود .
در این شکل ، برنامه کاربر در بین فراخوانی های دستورالعمل WRIT (جهت عمل نوشتن ) ،پردازش هایی را انجام می دهد . مجموعه دستورات 1 و 2 و 3 فاقد I/O هستند فراخوانی WRITE منجر به اجرای برنامه I/O می شود که یک برنامه سودمند سیستم است وعمل I/O واقعی را انجام می دهد . این برنامه I/O شامل سه بخش است :
دنباله ای از دستور العمل ها که درشکل مشخص شد و عمل I/O واقعی را انجام می دهند این عملیات ممکن است داده های خروجی را در میانگیری ذخیره کند و پارامترهایی را برای فرمان دادن به دستگاه آماده نماید .
فرمان I/O واقعی ، بدون استفاده از وقفه ها ، وقتی این فرمان صادر می شود ، برنامه ممکن است منتظر دستگاه I/O بماند تا این دستگاه وظیفه اش را انجام دهد ( یا به طور متناوب ، وضعیت دستگاه I/O را کنترل نماید تا مشخص شود عمل I/O تمام شد یا خیر ).
دنباله ای از دستور العمل ها که در شکل با شماره 5 مشخص شد و عملیات را کامل می کند . این عملیات ممکن است برچسبی را مقدار دهد که نشان دهنده موفقیت یا شکست آن باشد .
چون کامل شدن عمل I/O ممکن است مدت زیادی طول بکشد ، برنامه I/O منتظر می ماند تا عمل I/O کامل شود . لذا برنامه I/O در نقطه فراخوانی WRITE به مدت زیادی منتظر می ماند .
وقفه ها و چرخه دستور العمل
با استفاده از وقفه ها ، وقتی که عمل I/O در حال انجام است ،پردازنده می تواند دستور العمل های دیگری را اجرا کند . جریان کنترل را در شکل در نظر بگیرید . همانند قبل ،برنامه کار به نقطه ای می رسد که WRITE را فراخوانی می کند که یک فراخوان سبستم است . برنامه I/O که به این روش فراخوانی شد . فقط شامل کد آماده سازی و فرمان I/O واقعی است . پس از اجرای این دستور العمل ها ،کنترل به برنامه کاربر بر می گردد . در همین زمان ،دستگاه خارجی مشغول پذیرش داده ها از حافظه کامپیوتر و چاپ کردن آن است . این عملیات I/O به طور همزمان با دستور العمل های برنامه کار در حال اجرا است .
وقتی دستگاه خارجی آماده ارائه خدمات شد ، یعنی آماده شد تا داده های بیشتری را از پردازنده بپذیرد ، قطعه I/O مربوط به آن دستگاه خارجی ، سیگنال درخواست وقفه را به پردازنده می فرستد . پردازنده در پاسخ به این درخواست وقفه ، عمل برنامه فعلی را به تعویق می اندازد ، به برنامه ای می رود تا به آن دستگاه I/O خدمات دهد و پس از ارائه خدمات به آن دستگاه ،اجرای برنامه به تعویق افتاده را از سر می گیرد . برنامه ای که در اثر وقوع وقفه اجرا می شود تا به آن دستگاه I/O خدمات دهد ،اداره کننده وقفه نام دارد
از دیدگاه برنامه کاربر ،وقفه موجب می شود برنامه ای که در حال اجرا است به تعویق افتد . وقتی پردازش وقفه کامل شد ، اجرای برنامه از سر گرفته می شود لذا برنامه کاربر نباید کد خاصی برای پشتیبانی از وقفه داشته باشد ، بلکه پردازنده و سیستم عامل ،مسئول به تعویق انداختن برنامه کاربر واز سرگیری آن پس از پردازش وقفه اند .
برای پشتیبانی از وقفه ها ، چرخه وقفه به چرخه دستور العمل اضافه می شود در چرخه وقفه ، پردازنده سعی می کند تا ببین آیا وقفه ای رخ داد یا خیر . وقفه یا سیگنال وقفه مشخص می شود . اگر هیچ وقفه ای رخ نداده باشد ، پردازنده به چرخه واکشی ادامه می دهد و دستورالعمل بعدی برنامه فعلی را واکشی می کند .اگر وقفه ای رخ داده باشد ،پردازنده اجرای برنامه فعلی را به تعویق می اندازد و روال اداره کننده وقفه را اجرا می کند و برنامه اداره کننده وقفه ، عموماً بخشی از سیستم عامل است . این برنامه ، ماهیت و قفه را تعین کرده عمل مورد نیاز را انجام می دهد . در مثالی که مطرح کردیم ،اداره کننده وقفه تعیین می کند کدام قطعه I/O وقفه را تولید کرد و ممکن است به برنامه ای برود که داده های بیشتری را در قطعه I/O می نویسد . وقتی روال اداره کننده وقفه کامل شد ، پردازنده می تواند اجرای برنامه کاربر را از نقطه ای که به تعویق افتاد از سر گیرد .
بدیهی است که در این فرآیند ، سربارهایی وجود دارد دستور العمل های اضافی بایددر روال اداره کننده وقفه اجرا شوند تا ماهیت وقفه را تعیین کنند و سپس عمل مورد نظر را انجام دهند . بااین وجود ،چون زمان زیادی انتظار تکمیل عمل I/O صرف می شود ، با استفاده از وقفه ها ، پردازنده با کارایی بیشتری استفاده می گردد.
برای این که قدر این کارایی را بدانید یک نمودار زمانی براساس جریان کنترل است زمان لازم برای عمل I/O نسبتاً کوتاه است ،به طوری که این زمان ، از زمان لازم برای کامل شدن اجرای دستور العمل های بین دو دستور العمل نوشتن در برنامه کاربر ، کمتر است . در حالت عادی ،به ویژه برای دستگاه کندی مثل چاپگر ،زمان لازم برای عمل I/O خیلی بیشتر از زمان اجرای دنباله ای از دستور العمل های کاربر است ، در این حالت ، برنامه کار بر قبل از کامل شدن عمل I/O جدیدی آغاز گردد. شکل بعدی تنظیم زمانی این وضعیت را با استفاده وقفه ها و بدون استفاده از وقفه ها نشان می دهد . می بینیم که کارایی تا حدی بهبود می یابد ، زیرا در اثنای عمل I/O دستور العمل کاربر اجرا می شوند .
پردازش وقفه
وقوع وقفه منجر به رویدادهایی در نرم افزار و سخت افزار پردازنده می شود دنباله ای از این رویدادها نشان می دهد وقتی دستگاه I/O ،یک عمل I/O را کامل می کند .
دنباله ای از رویدادهای سخت افزاری زیر رخ می دهد :
1 این دستگاه ، سیگنال وقفه را به پردازنده می فرستد.
2 پردازنده قبل از پاسخگویی به وقفه ،اجرای دستور العمل فعلی را به پایان می‌رساند
3 پردازنده وجود وقفه را بررسی می کند و می بیند که وقفه ای رخ داده است ووصول سیگنال وقفه را به دستگاه صادر کننده وقفه اعلام می کند ، این اعلام وصول به دستگاه اجازه می دهد تا سیگنال وقفه اش را حذف کند .
4 اکنون پردازنده باید آماده انتقال کنترل به روال وقفه شود . ابتدا باید اطلاعات لازم را برای از سرگیری برنامه فعلی از نقطه وقوع وقفه ، ذخیره نماید . حداقل اطلاعات لازم ،کلمه وضعیت برنامه (PSW) و محل دستور العمل بعدی (PC) است . این اطلاعات را می توان در پشته کنترل سیستم ذخیره کرد.
5 اکنون پردازنده ، آدرس محل ورود به روال وقفه ای را که به این وقفه پاسخ می دهد ، درشمارنده برنامه (PC) قرار می دهد . بسته به معماری کامپیوتر وطراحی سیستم عامل ، ممکن است برای هر نوع وقفه یک برنامه اداره کننده وقفه وجودداشته باشد یا برای هر دستگاه و هر وقفه چنین برنامه ای موجود باشد اگر بیش از یک روال اداره کننده وقفه وجود داشته باشد ، پردازنده باید تصمیم بگیرد کدام را فراخوانی کند . این اطلاعات ممکن است در سیگنال وقفه اصلی وجودداشته باشد ، یا ممکن است پردازنده از دستگاه صادر کننده وقفه درخواست کند که این اطلاعات را در اختیارش قرار دهد .
وقتی شمارنده برنامه بار شد ، پردازنده به چرخه دستور العمل بعدی می رود که با چرخه واکشی دستور العمل شروع می شود . چون واکشی دستور العمل توسط محتویات شمارنده برنامه تعیین می شود ،نتیجه اش این است که کنترل به برنامه اداره کننده وقفه منتقل می شود . اجرای این برنامه منجر به عملیات زیر می‌گردد :
6 در این نقطه ،شمارنده برنامه و PSW برنامه ای که دچار وقفه شد ، در پشته سیستم ذخیره شده است . اما ، اطلاعات دیگری وجود دارد که به عنوان بخشی از حالت برنامه در حال اجزا محسوب می شود . به خصوص محتویات ثبات های پردازنده باید ذخیره شوند ، زیرا این ثبات ها ممکن است توسط روال اداره کننده وقفه استفاده شوند .