Прерывание vs Переключение контекста: Полное руководство

Прерывание и переключение контекста

Прерывание и переключение контекста связаны, но являются различными концепциями в компьютерной архитектии. Хотя прерывания часто включают некоторую форму переключения контекста, они не являются синонимами, а степень переключения контекста зависит от типа прерывания и архитектуры системы.

Содержание

• Основные определения
• Процесс обработки прерываний
• Типы переключения контекста
• Когда происходят полные переключения контекста
• Когда достаточно частичных переключений контекста
• Особенности архитектуры MIPS
• Влияние на производительность
• Практические примеры

Основные определения

Прерывание — это сигнал процессору о том, что произошло событие, требующее немедленного внимания. Когда происходит прерывание, ЦП приостанавливает текущее выполнение, сохраняет достаточно информации для последующего возобновления и передает управление обработчику прерывания (ISR).

Переключение контекста — это процесс изменения ЦП с выполнения одного процесса или потока на другой. Это включает сохранение полного состояния текущего процесса и загрузку состояния следующего процесса.

Ключевое отличие заключается в том, что прерывания — это события, требующие немедленной обработки, а переключения контекста — это смена того, что выполняет ЦП. Как отмечают эксперты на Electronics Stack Exchange, “переключение контекста выглядит точно так же, как прерывание”, но служит разным целям.

Процесс обработки прерываний

Когда происходит прерывание, обычно происходит следующее:

1. ЦП прекращает выполнение текущей инструкции
2. ЦП сохраняет критическую информацию о состоянии (часто автоматически аппаратно)
3. ЦП передает управление соответствующему обработчику прерывания
4. Обработчик прерывания обрабатывает событие
5. ЦП восстанавливает сохраненное состояние и возобновляет прерванную программу

Из исследований видно, что согласно Wikipedia, “ядро не порождает или не планирует специальный процесс для обработки прерываний, вместо этого обработчик выполняется в (частично) установленном контексте в начале обработки прерывания”.

Это означает, что прерывания обычно включают сохранение только того, что необходимо для выполнения обработчика прерывания, а не всего состояния процесса.

Типы переключения контекста

Из результатов исследований существуют два основных типа переключения контекста:

Частичное переключение контекста

• Происходит во время обработки прерываний
• Сохраняет только регистры и состояние, необходимые обработчику прерывания
• Прерванная программа возобновляет выполнение после обработки прерывания
• Согласно Spivey’s Corner, “прерывания выполняют только частичное переключение контекста, используя аппаратно поддерживаемый механизм для сохранения некоторого состояния и вызова обработчика прерывания как подпрограммы”

Полное переключение контекста

• Происходит при переключении между разными процессами или потоками
• Сохраняет полное состояние текущего процесса (регистры, счетчик команд, информацию управления памятью и т.д.)
• Загружает полное состояние следующего процесса
• Как объясняет GeeksforGeeks, “переключение контекста выполняет это решение, останавливая текущий процесс и запуская выбранный”

Когда происходят полные переключения контекста

Полные переключения контекста необходимы в нескольких сценариях:

1. Планирование процессов: когда операционная система решает переключиться с одного процесса на другой
2. Прерывание: когда процесс с более высоким приоритетом нуждается в ЦП (часто инициируется прерываниями таймера)
3. Системные вызовы: когда пользовательский процесс запрашивает сервисы ядра
4. Изменение уровня привилегий: при переключении между пользовательским режимом и режимом ядра

Согласно CS Stack Exchange, “прерывание подразумевает переключение привилегий, что подразумевает некоторое количество переключения контекста (сохранение регистров, например), но не обязательно полное переключение процесса, в зависимости от архитектуры и ядра”.

Когда достаточно частичных переключений контекста

Частичных переключений контекста достаточно в следующих случаях:

1. Простые аппаратные прерывания: такие как ввод с клавиатуры или движения мыши, не требующие изменения процессов
2. Прерывания в рамках одного процесса: когда прерванная программа возобновится после обработки
3. Прерывания таймера для прерывания: часто используются для проверки, должен ли текущий процесс продолжать выполняться

Как отмечено на Electronics Stack Exchange, “когда происходит прерывание, все равно происходит переключение контекста, но сохраняется и subsequently восстанавливается только тот контекст, который обработчику прерывания действительно необходимо использовать”.

Особенности архитектуры MIPS

В архитектуре MIPS прерывания действительно включают сохранение регистров, но степень зависит от типа:

• Аппаратные прерывания: MIPS автоматически сохраняет PC и регистр состояния, но другие регистры должен сохранить программный обработчик, если это необходимо
• Исключения: похожи на прерывания, но могут включать большее сохранение состояния
• Системные вызовы: это программные прерывания, которые могут инициировать полное переключение контекста, если происходит изменение процессов

Архитектура MIPS предоставляет механизмы для сохранения состояния во время прерываний, но операционная система решает, сколько состояния сохранять и следует ли выполнять полное переключение контекста.

Из Stack Overflow мы узнаем, что “переключение контекста означает возврат к другому состоянию пользовательского пространства, чем то, которое было прервано, что означало бы изменение этих в данный момент теневых регистров с помощью специальных инструкций”.

Влияние на производительность

Разница между частичными и полными переключениями контекста имеет значительные последствия для производительности:

• Частичные переключения контекста: быстрее, с меньшими накладными расходами (обычно микросекунды)
• Полные переключения контекста: медленнее, с большими накладными расходами (в некоторых системах могут быть миллисекунды)

Поэтому операционные системы стремятся минимизировать полные переключения контекста и часто используют частичные переключения контекста для прерываний. Согласно Embedded.com, “Переключение контекста Когда планировщик изменяет, какая задача в данный момент выполняется, это называется ‘переключением контекста’. Это вопрос, который заслуживает более близкого изучения, поскольку то, как работает переключение контекста, фундаментально для проектирования ОС реального времени”.

Практические примеры

Пример 1: Прерывание клавиатуры

• Тип: Аппаратное прерывание
• Переключение контекста: Частичное
• Процесс: Обработчик прерывания клавиатуры сохраняет только необходимые регистры, обрабатывает нажатие клавиши и возвращает управление тому же процессу, который был прерван

Пример 2: Прерывание таймера для планирования

• Тип: Прерывание таймера
• Переключение контекста: Может сначала инициировать частичное переключение контекста, а затем потенциально полное
• Процесс: Прерывание таймера проверяет, использовал ли текущий процесс свой временной слот. Если да, оно инициирует полное переключение контекста для планирования другого процесса

Пример 3: Системный вызов

• Тип: Программное прерывание
• Переключение контекста: Часто включает частичное переключение для обработки вызова, затем может инициировать полное, если системный вызов приводит к изменениям в планировании процессов

Как объясняет Quora, “контекст — это состояние машины, соответствующее одному потоку выполнения. Поэтому переключение контекста включает остановку выполнения одного потока на ЦП и начало выполнения другого потока”.

Заключение

Ключевые различия между прерываниями и переключениями контекста:

1. Область: Прерывания — это события, требующие немедленного внимания; переключения контекста — это смена того, что выполняет ЦП
2. Полнота: Прерывания обычно включают частичные переключения контекста; полные переключения контекста происходят при смене процессов
3. Цель: Прерывания обрабатывают асинхронные события; переключения контекста обеспечивают многозадачность
4. Накладные расходы: Частичные переключения контекста (характерные для прерываний) имеют меньшие накладные расходы, чем полные переключения контекста

В MIPS и других архитектурах прерывания действительно включают сохранение состояния, но не всегда полного контекста процесса. Решение между частичным и полным переключением контекста зависит от типа прерывания, требований системы и соображений производительности.

Для разработчиков и системных архитекторов понимание этого различия важно для оптимизации производительности системы и обеспечения правильной обработки асинхронных событий в компьютерных системах.

Источники

1. Переключение контекста - Википедия
2. В чем разница между переключением контекста и обработкой прерываний? - Stack Exchange по электронике
3. В чем разница между переключением контекста и обработкой прерываний? - Tutorialspoint
4. Переключение контекста в операционной системе - GeeksforGeeks
5. В чем разница между переключением контекста и обработкой прерываний? - Quora
6. Аппаратные прерывания и переключение контекста - Stack Exchange по компьютерным наукам
7. Задачи, переключение контекста и прерывания - Embedded.com
8. Лекция 14 – Переключение контекста (Цифровые системы) - Corner Spivey
9. Как компьютер обрабатывает прерывания - Stack Overflow
10. Переключение контекста в обработчиках прерываний - Stack Overflow