Interrupción

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Interrupción (también conocida como interrupción de hardware o petición de interrupción) es una señal recibida por el procesador de un ordenador, indicando que debe "interrumpir" el curso de ejecución actual y pasar a ejecutar código específico para tratar esta situación.

Una interrupción es una suspensión temporal de la ejecución de un programa, para pasar a ejecutar una subrutina de servicio de interrupción, la cual, por lo general, no forma parte del programa (generalmente perteneciente al sistema operativo, o al BIOS). Luego de finalizada dicha subrutina, se reanuda la ejecución del programa.

Las interrupciones surgen de las necesidades que tienen los dispositivos periféricos de enviar información al procesador principal de un sistema de computación. La primera técnica que se empleó fue que el propio procesador se encargara de sondear (polling) los dispositivos cada cierto tiempo para averiguar si tenía pendiente alguna comunicación para él. Este método presentaba el inconveniente de ser muy ineficiente, ya que el procesador constantemente consumía tiempo en realizar todas las instrucciones de sondeo.

El mecanismo de interrupciones fue la solución que permitió al procesador desentenderse de esta problemática, y delegar en el dispositivo la responsabilidad de comunicarse con el procesador cuando lo necesitara. El procesador, en este caso, no sondea a ningún dispositivo, sino que queda a la espera de que estos le avisen (le "interrumpan") cuando tengan algo que comunicarle (ya sea un evento, una transferencia de información, una condición de error, etc.).

Funcionamiento del mecanismo de interrupciones

Cada dispositivo que desea comunicarse con el procesador por medio de interrupciones debe tener asignada una línea única capaz de avisar al CPU que le requiere para una operación. Esta línea es la llamada IRQ ("Interrupt ReQuest", petición de interrupción).

Las IRQ son líneas que llegan al controlador de interrupciones un componente de hardware dedicado a la gestión de las interrupciones, y que puede estar integrado en el procesador principal o ser un circuito separado conectado al procesador principal. El controlador de interrupciones debe ser capaz de habilitar o inhibir líneas de interrupción (operación llamada comúnmente enmascarar por la utilización de una máscara), y establecer prioridades entre las distintas interrupciones habilitadas. Cuando varias líneas de petición de interrupción se activan a la vez, el controlador de interrupciones utilizará estas prioridades para escoger la interrupción sobre la que informará al procesador principal. Sin embargo hay interrupciones que no se pueden enmascarar o deshabilitar, las conocidas como interrupciones no enmascarables o NMI.

Un procesador principal que no tenga un controlador de interrupciones integrado, suele tener una única línea de interrupción llamada habitualmente INT. Esta línea es activada por el controlador de interrupciones cuando tiene una interrupción que servir. Al activarse esta línea, el procesador consulta los registros del controlador de interrupciones para averiguar cual IRQ hay que atender. A partir del número del IRQ busca en la tabla de vectores de interrupción la dirección de la rutina que debe llamar para atender una petición del dispositivo asociado a dicha IRQ.

Las rutinas de interrupción generalmente toman un pequeño tiempo de ejecución.

Pasos para el procesamiento de una IRQ:

1. Terminar la ejecución de la instrucción de máquina en curso.
2. Salva el valor de contador de programa, IP, en la pila, de manera que en la CPU, al terminar el proceso, pueda seguir ejecutando el programa a partir de la última instrucción.
3. La CPU salta a la dirección donde está almacenada la rutina de servicio de interrupción (Interrupt Service Routine (ISR)) y ejecuta esa rutina que tiene como objetivo atender al dispositivo que generó la interrupción.
4. Una vez que la rutina de la interrupción termina, el procesador restaura el estado que había guardado en la pila en el paso 2 y retorna al programa que se estaba usando anteriormente.

Líneas de petición de interrupción

El bus de control dispone de líneas específicas para el sistema de interrupciones. En el IBM PC y XT existen 8 líneas de petición de interrupción manejadas por el controlador de interrupciones Intel 8259. Estas líneas están numeradas del 0 al 7, las dos primeras están asignadas al timer tick del temporizador Intel 8253, y al teclado. Solo quedaban 6 líneas para otros dispositivos, que aparecen como tales en el bus de control (IRQ2 - IRQ7). A partir del modelo AT se añadieron otras 8 líneas, numeradas del 8 al 15, mediante un segundo controlador de interrupciones (PIC), aunque la tecnología empleada exigió colgarlo de la línea IRQ2 del primero, de forma que esta línea se dedica a atender las interrupciones del segundo controlador a través de la línea 9 de este último, y la línea 8 se dedicó al reloj de tiempo real, un dispositivo que no existía en los modelos XT.

Aunque internamente se manejan 16 líneas, no todas tienen contacto en los zócalos del bus externo (son las marcadas con asterisco en la tabla que sigue). La razón de esta ausencia en los zócalos de conexión es que son de asignación fija, y solo son usadas por ciertos dispositivos instalados en la propia placa base. En concreto la línea NMI está asignada al mecanismo de control de paridad de la memoria, la línea 0 está asignada al cronómetro del sistema y la línea 1 al chip que controla el teclado (dispositivos que pueden requerir atención urgente por parte del procesador). Es costumbre denominar IRQx a las que tienen prolongación en el bus.

Teóricamente las restantes líneas podrían ser asignadas a cualquier nuevo dispositivo, pero en la práctica algunas están reservadas a dispositivos estándar. Por ejemplo, IRQ3 está casi siempre asignado al puerto serie COM2 y el IRQ4 al COM1; IRQ6 al controlador estándar de disquetes y IRQ7 al puerto de impresora LPT1. La tabla 1 muestra las asignaciones clásicas para el XT y el AT

En sistemas más modernos utilizan la arqitectura APIC de Intel con 24 líneas y 8 extra para enrutar las interrupciones PCI.

Cuando se instala un dispositivo de E/S que puede necesitar atención del procesador, debe asignársele una IRQ adecuada. Dicho en otras palabras, cuando requiera atención debe enviar una señal en la línea IRQ especificada. Inicialmente esta asignación se efectuaba de forma manual, por medio de puentes (jumpers) en la placa o dispositivo, pero actualmente esta selección puede hacerse por software.

Mecanismo de interrupciones en un PC

Un ordenador PC típico dispone en su placa base de un controlador de interrupciones 8259 de Intel o de un circuito integrado análogo. Este dispositivo electrónico dispone de hasta 16 líneas IRQ, numeradas desde el 00 hasta el 15. En las nuevas placas base este circuito está integrado junto con el resto del chipset y permite hasta 24 interrupciones.

Tipos de interrupciones

En este subapartado vamos a hacer una clasificación de las distintas clases de interrupciones que nos podemos encontrar atendiendo a la fuente que las produce. Por un lado distinguiremos si se producen por causas internas o externas al procesador y remarcaremos que este hecho está íntimamente ligado con que las interrupciones sean síncronas o asíncronas:

• Interrupciones de hardware. Estas son asíncronas a la ejecución del procesador, es decir, se pueden producir en cualquier momento independientemente de lo que esté haciendo el CPU en ese momento. Las causas que lo producen son externas al procesador y a menudo suelen estar ligadas con distintos dispositivos de E/S.
• Traps. Normalmente son causadas al realizarse operaciones no permitidas tales como la división por 0, el desbordamiento, el acceso a una posición de memoria no permitida, etc.
• Interrupciones por software. Las interrupciones por software son generadas por el programa en ejecución. Para generarla, existen distintas instrucciones en el código máquina que permiten al programador producir una interrupción, suelen tener nemotécnicos tales como INT. Suelen ser de vital importancia ya que a partir de estas interrupciones se solicita al sistema operativo realizar determinadas funciones, para ello. Por ejemplo, en DOS se realiza la instrucción INT 0x21 y en Unix se utiliza INT 0x80 para hacer llamadas de sistema.

Usos de los interrupciones

Se utilizan las interrupciones generalmente para dos motivos:

• Permitir una comunicación sin bloqueo con los periféricos externos.
• Conmutar las tareas dentro de un planificador

Interrupciones de hardware

Son interrupciones que se producen como resultado de, normalmente, una operación de E/S. No son producidas por ninguna instrucción de un programa sino por señales que producen los dispositivos para indicarle al procesador que necesitan ser atendidos. Las interrupciones de hardware son interesantes en cuanto a que permiten mejorar la productividad del procesador ya que este último puede ordenar una operación de E/S y en lugar de tener que esperar realizando una espera activa, a que el dispositivo termine, es decir, sin hacer ningún trabajo útil, se puede dedicar a atender a otro proceso o aplicaciones y cuando el dispositivo esté de nuevo disponible será el encargado de notificarle al procesador mediante la línea de interrupción que ya está preparado para continuar/terminar la operación de E/S.

Entradas/salidas:

Cuando un microprocesador accesa un periférico (disco duro, puerto de comunicación...), puede transcurrir algún tiempo antes de que los datos puedan ser obtenidos o bien transmitidos. La solución más simple es esperar hasta recibir un dato o bien hasta que se efectúa una transmisión (espera ocupado, o polling), pero esta solución bloquea todos los programas en ejecución, y eso no puede admitirse bajo un sistema multitarea. En los sistemas modernos se prefiere un funcionamiento mediante interrupciones:

El periférico señala una eventualidad mediante una interrupción, como por ejemplo que ha acabado la transmisión de los datos, y una rutina trata esta interrupción. Para que la transferencia sea más eficiente suele usarse el acceso directo a memoria (DMA), mediante el cual los bloques son leídos o bien escritos en memoria sin la intervención del CPU.

Trampas

Es un tipo de interrupción sincrónica típicamente causada por una condición de error, por ej. una división por 0 o un acceso inválido a memoria en un proceso de usuario. Normalmente genera un cambio de contexto a modo supervisor para que el sistema operativo atienda el error. De manera que podemos ver como las excepciones son un mecanismo de protección que permite garantizar la integridad de los datos tanto en el espacio de usuario como en el espacio kernel. El SO cuando detecta una excepción intenta solucionarla pero en caso de no poder simplemente notificará la condición de error a la aplicación y abortará la misma.

Interrupciones por software

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En este apartado se consideran las llamadas al sistema operativo mediante una instrucción, normalmente de Entrada/Salida.

Una interrupción por software, se generará por un programa mientras está ejecutándose. En general actúa de la siguiente manera:

1. Un programa que se venía ejecutando luego de su instrucción I5, llama al Sistema Operativo, por ejemplo para leer un archivo de disco.
2. A tal efecto, luego de I5 existe en el programa, la instrucción de código de máquina CD21, simbolizada INT 21 en Assembler, que realiza el requerimiento del paso 1. Puesto que no puede seguir le ejecución de la instrucción I6 y siguientes del programa hasta que no se haya leído el disco y esté en memoria principal dicho archivo, virtualmente el programa se ha interrumpido, siendo, además, que luego de INT 21, las instrucciones que se ejecutarán no serán del programa, sino del Sistema Operativo.
3. La ejecución de INT 21 permite hallar la subrutina del Sistema Operativo.
4. Se ejecuta la subrutina del Sistema Operativo que prepara la lectura del disco.
5. Luego de ejecutarse la subrutina del Sistema Operativo, y una vez que se haya leído el disco y verificado que la lectura es correcta, el Sistema Operativo ordenará reanudar la ejecución del programa autointerrumpido en espera.
6. La ejecución del programa se reanuda.

Determinación de la dirección de la rutina de servicio de interrupción

Hay dos alternativas para determinar la dirección de la rutina de servicio de interrupción que debe ejecutarse al recibir una interrupción determinada:

• Direcciones fijas. Se hallan cableadas en el procesador y por tanto nunca pueden ser cambiadas. Esto implica que las RSI siempre estarán en una determinada posición de la memoria.
• Direcciones variables (por interrupciones vectorizadas). En este grupo se incluyen aquellas que presentan una dirección variable y que, por tanto, no se halla cableada en el procesador. De esta manera el dispositivo debe dar información acerca de la localización de la dirección de comienzo de la RSI asociada a dicho periférico.

Direcciones variables

Hay distintas metodologías de diseño para las interrupciones con direcciones variables. En la actualidad, las alternativas que son implementadas de manera habitual son las siguientes:

• Direccionamiento absoluto. En este caso es el dispositivo o la interfaz del dispositivo la encargada de conocer la dirección de la RSI y de enviarla al procesador para que éste pueda localizar dicha subrutina y ejecutarla.
• Direccionamiento relativo. El dispositivo solo suministra parte de la dirección de comienzo y es el procesador el encargado de completarla (añadiendo bits o sumando una determinada cantidad, que siempre será fija). Esta alternativa tiene una ventaja sobre la anterior y es que permite especificar la dirección de comienzo con menos bits y por tanto simplifica el diseño. Ahora bien tiene una desventaja principal y es que limita el número de dispositivos que podemos conectar y además ciertos bits de la dirección quedan fijados de forma permanente por la CPU lo que reduce la capacidad de reubicabilidad de la RSI. Una alternativa que utilizan ciertos procesadores como el 8080 o el 8085 es que en vez de enviar solamente la dirección de comienzo de la RSI se envía también el código de la operación de salto (por ejemplo CALL).
• Direccionamiento indirecto. También conocida como direccionamiento por interrupciones vectorizadas. Se mantiene una tabla de vectores de interrupción (direcciones de comienzo de las distintas RSI) y a cada interrupción se le asocia un número que será el índice por el cual se accederá a la tabla y se recuperará la información de la dirección de comienzo. Necesita señales de conformidad o handshaking para sincronizar al procesador con la interfaz, ya que esta última tiene que indicarle al procesador cuando va a enviarle el índice que necesita para buscar el vector de interrupción (INT) y el procesador deberá enviar otra señal para indicar que se ha reconocido la interrupción (INTA#).

Determinación de la fuente que genera la interrupción

Hay distintas formas de identificar la fuente de una determinada interrupción. La primera alternativa que se consideró fue asignar una línea (un bit) para cada interrupción pero esto suponía un gran costo en cuanto a la relación de número de dispositivos y número de bits usados y a menudo fijaba el límite de dispositivos que se podían conectar. Por tanto, se pensó con posterioridad que en cada patilla de interrupción deberían poder conectarse más de un dispositivo, pero entonces tendríamos que imponer una metodología que permitiese identificar de forma unívoca de qué dispositivo se trataba. Para ello hay varias directrices:

• Polling. Se trata de que la CPU comprueba de manera sistemática todos los dispositivos de manera que "busca" cuál de ellos fue el que solicitó la interrupción. Esto tiene una ventaja y es que es barato a nivel de coste hardware ya que el "polling" se implementa en software, no obstante tiene otras desventajas que no podemos olvidar y es que suele ser lento porque tiene que comprobar en serie todos los dispositivos y establece una prioridad en los dispositivos (el orden de sondeo) y por tanto puede provocar inanición.
• Interrupciones vectorizadas. Este concepto fue ya tratado en el apartado anterior y como ventajas podemos destacar que suele ser rápido pero implica un alto costo en el hardware.
• Hardware paralelo. Se utiliza un registro de interrupción cuyos bits se controlan de forma independiente por las señales de petición de interrupción PI_i de cada periférico. Según la posición de cada bit en el registro, se establece la prioridad.

Sistemas de prioridad

Se necesita un mecanismo para priorizar las interrupciones y tratar primero las más urgentes. Existen varias alternativas:

• Interrupciones simultáneas. No tienen por qué ocurrir de manera simultánea sino que se refiere a que en un momento dado pueden haber varias interrupciones activas.
• Interrupciones anidadas. Mientras se está procesando una determinada rutina de servicio de interrupción sucede otra señal de interrupción.
• Inhibición de interrupciones. Se deshabilitan las demás interrupciones mientras se está tratando una.

Interrupciones simultáneas

En este método tenemos dos alternativas, una de ellas es que exista algún hardware que tenga como entradas las señales de interrupción y de como salida la interrupción más prioritaria que está activa en ese momento. Otra alternativa es tener un método de identificación de prioridades distribuida y no generalizada como en el caso anterior, en este caso tenemos que destacar dos técnicas distintas que se pueden implementar en la práctica:

• Polling. Como ya vimos es el CPU el que chequea los dispositivos y el orden de sondeo determina la prioridad.
• Daisy-chain. (conexión en cadena) Podemos conectar los distintos dispositivos en cadena, en orden decreciente de prioridad y por tanto la señal de reconocimiento de interrupción (INTA#) solo será pasada al siguiente dispositivo en caso de que el anterior (más prioritario) no haya solicitado los servicios del procesador. Sin embargo, algo importante es que las señales de interrupción que van al procesador están conectadas todas a un mismo cable, por tanto, deberemos utilizar alguna técnica especial para que no se produzca un cortocircuito. Para evitar precisamente que la pista se cortocircuite se utiliza la técnica del "open-collector" o "colector abierto" y consiste en conectar el colector de un transistor a la pista común (un transistor por cada dispositivo) y por tanto estarán tantos colectores conectados como dispositivos tengamos (se entiende que son dispositivos que mandan petición de interrupción al procesador).
• Híbrida. Mezcla las dos técnicas explicadas anteriormente.

Interrupciones anidadas

Existen dos métodos para tratar las interrupciones anidadas. El primero se basa en inhabilitar las interrupciones mientras se está ejecutando una determinada RSI. Esto puede realizarlo el hardware de manera automática en algunos procesadores, pero en otros será el usuario el encargado de deshabilitarlas en caso de que no desee que ninguna otra interrupción pueda interrumpir el transcurso normal de la rutina de servicio de interrupción. No es aconsejable deshabilitar las interrupciones durante mucho tiempo ya que esto puede provocar errores y pérdida de información.

La otra alternativa es permitir que solo las interrupciones más prioritarias puedan suspender la ejecución de la RSI actual. Para esto tendremos que definir qué líneas son más prioritarias que otras. Otra consideración de esta segunda alternativa es que al anidar distintas llamadas a rutinas tendremos que contar con una pila suficientemente grande para que esta no se desborde.

Inhibición de interrupciones

Hay distintas alternativas de inhibición de interrupciones. Como ya hemos visto estas se pueden hacer de manera automática por el hardware en algunos casos mientras que en otros será el usuario el encargado de realizarlo por software y esto depende de la arquitectura del procesador que consideremos. Las distintas opciones son:

• Deshabilitar todas las interrupciones. Para esto basta con inhibir el bit del registro de flag dedicado a las interrupciones.
• Deshabilitar al principio de la RSI y activarlas de nuevo al finalizar la misma. Puede ser de manera automática o por el usuario.
• Desactivar solo las interrupciones que tengan menor prioridad que la asociada a la RSI que se está ejecutando en ese momento.
• Deshabilitar de forma selectiva distintos niveles de prioridad de interrupción. Para lo cual se emplean registros especiales denominados máscaras en el que cada uno de sus bits identifican a un nivel distinto y modificando su contenido se puede establecer que niveles están activos en ese momento. Se puede cambiar por el programador.

Tormenta de interrupciones

Este evento se puede producir cuando un procesador recibe un número demasiado grande de interrupciones, las cuales consumen la mayor parte del tiempo del procesador. Las tormentas de interrupciones suelen ser causadas por dispositivos de hardware que no son compatibles con una tasa de interrupción limitante.

Como curiosidad, se conjetura que la primera tormenta de interrupciones pudo ocurrir durante el descenso lunar del Apollo 11 en 1969.

Véase también

• Llamadas de interrupción del BIOS