Пример 4.2. Пример последовательности запросов памяти 6 страница

Реестр Win32
В свете этого, например, системный реестр Win32, не имеющий адекватных средств восстановления и самоконтроля, представляет собой если и не сознательную диверсию, то, во всяком случае, недостаточно продуманное техническое решение — из-за него многие проблемы, для исправления которых в более продуманных с этой точки зрения системах достаточно перезагрузки или очистки конфигурационного файла, в Win32 приходится решать переустановкой ОС.
Да, Windows NT предоставляет некоторые средства резервного копирования реестра — "восстановительную" дискету и "последнюю хорошую (last known good) конфигурацию", но эти средства неудобны для повседневного использования, а "последняя хорошая конфигурация" и просто неадекватна: тот факт, что с данным содержимым реестра мы дошли до окошка с именем и паролем, это, конечно, определенное достижение и повод этот реестр сохранить — но ни в коем случае не повод затирать предыдущую (теперь уже предпоследнюю) "хорошую" конфигурацию!
Если говорить именно о настройках ОС, радикальнее всего эта проблема решена в современных версиях FreeBSD (свободно распространяемой системе семейства Unix), в которой все файлы настройки ОС и системных сервисов включены в систему контроля версий, обеспечивающую полный или частичный откат на неограниченное число модификаций назад. Собственно, это может быть реализовано в любой ОС, которая хранит свою конфигурацию в текстовом формате, стандартными средствами контроля версий, используемыми для разработки программного обеспечения, — CVS и др.

В свете вышеприведенных рассуждений, полезно разделять оперативные и хранимые объекты не только по способу адресации, но и по представлению данных. Эти представления должны удовлетворять различным и не всегда совместимым требованиям: при выборе внутреннего, оперативного представления данных основные критерии — это скорость, удобство доступа и умопостижпмость кода, который будет с этими данными работать, а для „нешнего, хранимого представления — прежде всего легкость проверки и, если это возможно, восстановление целостности данных. При разработке внешнего формата данных желательно также принять во внимание соображения межмашинной совместимости — возможные различия в порядке байтов и даже битов в целочисленных значениях, особенности представления чисел с плавающей точкой, различия кодировки текста и так далее.
Если хранимое и оперативное представления объектов различны, одноуровневая память для нас скорее вредна, чем бесполезна: прежде чем программа сможет работать с объектом, она должна преобразовать его во внутреннее представление (в объектно-ориентированных языках это может делать один из конструкторов объекта). Эту процедуру обычно оказывается целесообразно совместить со считыванием внешнего представления объекта из файла. "Прозрачная" же для пользовательской программы запись данных во внешний формат бывает и просто опасна — нередко для обеспечения целостности данных оказывается необходим контроль над порядком записи тех или иных полей и структур.
Объединение оперативной и долговременной памяти, таким образом, оказывается применимо лишь в тех ситуациях, когда нам, во-первых, удалось разработать модель данных, одновременно удовлетворяющую требованиям, предъявляемым и к оперативному, и к хранимому представлениям, и во-вторых, когда нас не беспокоит опасность нарушения нашей модели данных из-за неполного их сохранения в момент системного сбоя (или когда мы имеем какие-то средства предотвращения этой опасности).
Безусловно, средства для отображения файлов в память лучше иметь, чем не иметь. К тому же их можно использовать и для других целей, кроме собственно организации одноуровневого доступа к данным — для загрузки программ, выделения памяти или эмуляции сегментов данных, разделяемых между задачами и даже между машинами (при доступе к файлу по сети).
Важно еще подчеркнуть, что разделение представлений данных на внешние и внутренние не обязано полностью соответствовать способу их хранения — в ОЗУ или на диске. Кроме хранения оперативных данных в своп-пространстве и разного рода "виртуальных дисков" можно привести и более радикальный пример: таблицы, индексы и прочие файлы данных сервера реляционной СУБД представляют собой, скорее, оперативное представление данных, РОЛЬ же хранимого представления в данном случае играют форматы, Используемые для экспорта и резервного копирования содержимого таблиц.
Благодаря этому примеру становится понятнее, почему единственная из коммерчески применяемых в настоящее время систем с одноуровневой адресацией — AS/400 — ориентирована на использование в качестве сервера СУБД. В литературе, особенно в рекламной, даже встречается ее описание "аппаратного сервера баз данных".

Примечание
Вообще, описание специализированных компьютеров как "аппаратное что-то там"— нередко встречающийся, остроумный и довольно эффективный маркетинговый прием. Понятно, что чем более короткий и однозначный ответ дает технический специалист на вопросы "принимающих решения", тем легче ему будет обосновать конкретный выбор. Поэтому наравне с грамотным и исчерпывающим описанием технических достоинств, хорошее рекламное описание должно в явном или неявном виде содержать и варианты ответов на многие распространенные вопросы со стороны нетехнического персонала.
Так, если начальник спрашивает администратора: "Вот, купим мы этот компьютер — моя секретарша сможет на нем в Lines играть?", тот может ему ответить: "А это не компьютер, это аппаратный... " маршрутизатор (Cisco), сервер СУБД (AS/400), веб-сервер (попытки продавать такие серверы на основе Linux делались, но большого успеха не имели), нужное подставить.

Глава 6. Компьютер и внешние события

• Компьютер и внешние события
• Опрос
• Канальные процессоры и прямой доступ к памяти
• Прерывания
• Исключения
• Многопроцессорные архитектуры

Компьютер и внешние события

Мы ждали его слишком долго. Что может бытьглупее, чем ждать? Б. Гребенщиков

Практически все функции современных вычислительных систем так или иначе сводятся к обработке внешних событий. Единственная категория приложений, для которых внешние события совершенно неактуальны — это так называемые пакетные приложения, чаще всего — вычислительные задачи. Доля таких задач в общем объеме компьютерных приложений в наше время невелика и постоянно падает. В остальных же случаях, даже если не вспоминать о специализированных управляющих компьютерах, серверы обрабатывают внешние по отношению к ним запросы клиентов, а персональный компьютер — реагирует на действия пользователя.
Различие между управляющими системами (приложениями реального времени) и системами общего назначения (термин — система разделенного времени вышел из употребления и не всегда точно отражает суть дела) состоит лишь в том, что первые должны обеспечивать гарантированное время реакции на событие, в то время как вторые "всего лишь" — предоставить хорошее среднее время такой реакции и/или обработку большого количества событий в секунду.

Примечание
Время обработки одного события и количество событий, обрабатываемых в единицу времени, далеко не всегда являются жестко взаимосвязанными — ведь при многопоточной обработке система может обрабатывать несколько событий параллельно.

Единственный способ, которым фон-неймановский компьютер может отреагировать на что бы то ни было — это исполнить программу, последовательность команд.
В случае внешнего события, естественным решением кажется предоставить команду условного перехода, условием которого является признак события.
В системах команд микроконтроллеров частореализуют именно такие переходы (см. например табл. 2.2). В качестве признака события в этом случае используется значение одного из битов специального регистра, биты которого соответствуют входам микросхемы контроллера. Бит равен единице, если на соответствующий вход подано высокое напряжение, и нулю — если низкое.
Наличие таких команд полезно, но решает проблему не полностью: да, сели событие произошло, мы моыжем вызвать программу и осуществить реакцию но что мы будем делать, если его еще не происходило?

Опрос

Наивное решение состоит в том, что нам следует циклически опрашивать признак события (пример 6.1). Это решение хорошо не только концептуальной простотой, но и тем, что если цикл опроса короток, время реакции будет очень маленьким. Поэтому такой метод нередко используют для обработки последовательностей событий, следующих друг за другом с небольшим интервалом. Однако это решение, называемое опросом (polling), имеет и большой недостаток: загрузив процессор опросом, мы не можем занять его чем бы то ни было другим.

Пример 6.1. Пример использования режима опроса

; Приведенный фрагмент кода использует опрос таймера TMRO,
; работающего от "часового" кварцевого генератора с частотой 32768Гц.
; Цикл опроса в чистом виде TMRO — регистр таймера,
; Timervalue — просто переменная,
; регистр 0 — аккумулятор, обозначаемый также как W.
; Такой цикл ожидает одного отсчета таймера.
MovF TMRO, 0
MovWF TimerValue
G5H_Continuel
MovF TimerValue, 0
SubWF TMRO, 0
BNZ G5H_Continuel
; Код содержит два цикла опроса: первый цикл генерирует; сигнал высокого напряжения, второй — низкого.
; В результате получается периодический сигнал, называемый меандром.
; Фрагмент определителя номера на основе микроконтроллера PIC
; (с) 1996, Дмитрий Иртегов.
; Запрос к АТС ка выдачу номера.
; Генератор меандра с частотой 501.5 гц. Выдает 50 периодов (100 мс).
; генерирует 2 периода по 16 тиков и один — по 17.
; Получается очень похоже.
6enerate500Hz
MovLW 50
MovWF AONByteCounter
MovLW 3
MovWF Tmpl
MovF TMRO, 0
MovWF TimerValue G5H_NextPeriod
MovLW 8
AddWF TimerValue, 1
BSF LINE_CTL_PORT, LINE_ANSWER G5H_Continuel
MovF TimerValue, 0
SubWF TMRO, 0
BNZ G5H_Continuel
MovLW 8
AddWF TimerValue, 1
BCF LINE_CTL_PORT, LINE_ANSWER
DecFSZ Tmpl, 1 GoTo G5H_ContinueO
MovLW 3
MovWF Tmpl
IncF TimerValue, 1 G5H_ContinueO
MovF TimerValue, 0
SubWF TMRO, 0
BNZ GSH_ContinueO
DecFSZ AONByteCounter, 1 GoTo G5H_NextPeriod
Return

Этот недостаток можно переформулировать и иначе: если процессор занят Чем-то другим, он может узнать о событии, только завершив текущую Деятельность. Если событие действительно важное, впрочем, мы можем расставить команды проверки его признака по всему коду программы, но для сложных программ, обрабатывающих много различных событий, это решение вряд ли можно считать практичным.
С точки зрения встраиваемых приложений, режим опроса имеет еще один существенный недостаток: опрашивающий процессор нельзя выключить В то же время, выключенный процессор потребляет гораздо меньше энергии и не создает электромагнитных помех, поэтому при разработке программ для таких приложений считается хорошим тоном выключать (переводить в режим ожидания) процессор всегда, когда это возможно. В этом случае конечно, необходимо предусмотреть какие-либо средства для вывода процессора из этого состояния при возникновении интересующего нас события.

Канальные процессоры и прямой доступ к памяти

Одно из решений состоит в том, чтобы завести отдельный процессор и поручить ему всю работу по опросу. Процессор, занимающийся только организацией ввода-вывода, называют периферийным или канальным (channel).
Понятно, впрочем, что это повышает стоимость системы и не решает проблемы радикально — теперь вместо флагов, непосредственно сигнализирующих о внешних событиях, центральный процессор вынужден опрашивать флаги, выставляемые канальным процессором. В зависимости от характера событий и требуемой обработки это решение может оказаться и совсем неприемлемым, например, если на каждое событие требуется немедленная реакция именно центрального процессора.
В противном случае, если немедленно после события требуется лишь простая обработка, а сложные вычисления можно отложить на потом, канальный процессор можно упростить и сделать существенно дешевле центрального.
Так, при работе с контроллерами дисков, лент и других устройств массовой памяти возникает задача копирования отдельных байтов (или, в зависимости от разрядности шины контроллера, полуслов или слов) из контроллера в память и обратно. Передача одного блока (512 байт у большинства современных контроллеров) состоит из 128 операций передачи слова, идущих друг за другом с небольшими интервалами. Темп передачи данных определяется скоростью вращения диска или движения ленты. Этот темп обычно ниже скорости системной шины, поэтому передача данных должна включать в себя опрос признака готовности контроллера принять или предоставить следующее слово. Интервал между словами обычно измеряется несколькими циклами шины. Нередко бывает и так, что частоты шины и контроллера не кратны, поэтому последовательные слова надо передавать через различное число циклов.
Дополнительная сложность состоит в том, что, не предоставив вовремя следующее слово для записи, мы испортим весь процесс — эта проблема особенно серьезна на устройствах однократной записи, например прожигателях компакт-дисков. Аналогично, не успев прочитать очередное слово, мы потеряем его и вынуждены будем отматывать ленту назад пли ждать следующего оборота диска.
Видно, что это именно та ситуация, которую мы ранее описывали как показание к использованию режима опроса: поток следующих друг за другом с небольшим интервалом событий, каждое из которых нельзя потерять, а нужно обязательно обработать.
Обработка события, которая нужна, чтобы избежать такой неприятности, крайне проста, так что устройство, способное с ней справиться, не обязано даже быть полностью программируемым процессором.
При передаче надо всего лишь убедиться, что блок данных не кончился, взять следующее слово из памяти, дождаться готовности устройства, скопировать слово и вернуться к началу алгоритма. Если блок данных кончился или контроллер выдал ошибку, необходимо сообщить об этом центральному процессору.
Для реализации этого алгоритма достаточно трех регистров (указателя в памяти, значения текущего слова и счетчика переданных слов). Реализующее этот алгоритм устройство называют контроллером прямого доступа к памяти (Direct Memory Access controller, DMA controller) (рис. 6.1). Такие контроллеры часто рассчитаны на одновременную работу с несколькими устройствами — имеют несколько каналов — и, соответственно, больше регистров. Описание реальной микросхемы контроллера ПДП можно найтив [Паппас/Марри 1993].
Обычно контроллеры ПДП не считают процессорами, однако без большой натяжки можно сказать, что это все-таки канальный процессор, хотя и очень примитивный. Контроллеры ПДП, рассчитанные на совместную работу с процессором, обладающим виртуальной памятью, часто имеют некий аналог диспетчера памяти ЦП, для того, чтобы позволить операционной системе предоставлять указатель для ПДП в виртуальном адресном пространстве, или, во всяком случае, упростить работу по преобразованию виртуального адреса в физический.
Различают два типа реализаций ПДП:

• мастер шины (bus master) (в старой русскоязычной литературе встречалось также словосочетание задатчик шины), когда устройство имеет свой собственный контроллер ПДП,
• централизованный контроллер, устанавливаемый на системной плате и способный работать с несколькими различными устройствами.

Рис. 6.1. Структура контроллера ПДП

В качестве альтернативы ПДП можно предложить снабжение устройства буфером, который работает с частотой системной шины. Центральный процессор передает данные в буфер, и лишь когда заканчивает передачу, инициирует операцию устройства. Логика работы самого устройства с этим буфером, впрочем, ничем не отличается от ПДП, с той лишь разницей, что используется не общесистемная, а встроенная память. На практике, оба подхода часто используются совместно: ПДП позволяет минимизировать загрузку центрального процессора, а буфер — избежать потери данных, если системная шина занята другим устройством.
Типичный современный дисковый контроллер имеет и средства ПДП, и внутренний буфер. У кэширующих (имеющих кэш-память) и RAID-контроллеров объем буфера может измеряться многими мегабайтами. Кроме того, современные жесткие диски также имеют собственные буферы.
Периферийные процессоры находят широкое применение в современных вычислительных системах. Так, типичный современный персональный компьютер, кроме центрального процессора, обычно имеет и специализированный видеопроцессор, так называемый графический ускоритель. У кэширующих дисковых контроллеров и аппаратных реализаций RAID (см. разд. Дисковые массивы) обычно также есть собственный процессор, в данном случае, как правило, используются полностью программируемые процессоры. Лазерные и струйные печатающие устройства имеют процессор, который интерпретирует команды языка управления принтером (PCL или Postscript), есть процессоры модемах и во многих других периферийных устройствах. Впрочем, нередко встречаются и попытки обратить процесс децентрализации вычислений -так называемые "софтовые" или Win-модемы (называемые так потому, что программное обеспечение, способное работать с таким модемом, часто поставляется только под Windows), многие бытовые принтеры и т. д.
В отличие от перечисленных устройств, классический полностью программируемый канальный процессор подключен непосредственно к системной шине и может оперировать несколькими устройствами, в зависимости от загруженной в него канальной программы. Канатьные процессоры долгое время считались отличительной особенностью больших ЭВМ. В мини-и микрокомпьютерах использование специализированных канальных процессоров, более сложных, чем контроллер ПДП, считалось неприемлемым по стоимостным показателям. Удивительно, что даже современное радикальное удешевление оборудования не изменило положения: предложение консорциума I²O (Intelligent Input/Output) снабжать компьютеры на основе процессоров х86 канальным процессором Intel 960, с энтузиазмом поддержанное практически всеми поставщиками операционных систем, почему-то не было столь же горячо поддержано потребителями.
Потребители мини- и микросистем, нуждающиеся в высокой производительности, предпочитают использовать в качестве дополнительных процессоров устройства с той же архитектурой, что и центральный процессор. Это называется симметричной многопроцессорностью (SMP), и позволяет перераспределять между процессорами не только обработку событий, но и собственно вычислительную деятельность. Понятно, что обрабатывать все события по принципу опроса в такой архитектуре — бессмысленная, а зачастую и нетерпимая расточительность.
К счастью, еще с 60-х годов, практически все процессоры как центральные, так и канальные, используют стратегию работы с событиями, во многих отношениях гораздо более совершенную, чем опрос.

Прерывания

Альтернатива опросу, применяемая практически во всех современных процессорах, называется прерываниями (interrupt), и состоит в значительном усложнении логики обработки команд процессором.
Процессор имеет один или несколько входов, называемых сигналами или линиями запроса прерывания. При появлении сигнала на одном из входов, Процессор дожидается завершения исполнения текущей команды и, вместо перехода к исполнению следующей команды, инициирует обработку прерывания.
Обработка состоит в сохранении счетчика команд и, возможно, некоторм других регистров (практически всегда сохраняется также слово состояния процессора. В процессорах с виртуальной памятью иногда сохраняются и регистры диспетчера памяти), и в передаче управления на адрес, определяемый типом прерывания. По этому адресу размещается программа, обработчик прерывания, которая и осуществляет реакцию на соответствующее прерыванию событие. Перед завершением обработчик восстанавливает регистры, и исполнение основной программы возобновляется с той точки, где она была прервана.
Как правило, адреса программ, соответствующих различным прерываниям собраны в таблицу, называемую таблицей векторов прерываний, размещаемую в определенном месте адресного пространства. У микроконтроллеров каждому возможному сигналу прерывания обычно соответствует свой вектор. Процессоры общего назначения часто используют более сложную схему, в которой устройство, запрашивающее прерывание, передает процессору номер прерывания или сразу адрес обработчика.

Прерывания в PDP-11
Для примера рассмотрим организацию прерываний в машинах семейства PDP-11. Процессоры данной архитектуры сейчас практически не используются в машинах общего назначения, но производятся и применяются в качестве микроконтроллеров. Ряд архитектурных решений PDP-11, разработанной в начале 70-х годов, не потерял актуальности и поныне. В частности, подход к реализации прерываний считается классическим [Кейслер 1986].
Процессоры семейства PDP-11 различают 128 типов прерываний и исключений (чем прерывание отличается от исключения, см. далее). Каждому типу соответствует процедура-обработчик. Адреса точек входа всех процедур собраны в таблицу векторов прерываний. Эта таблица занимает 256 слов физической памяти, начиная с нулевого адреса. Каждый элемент таблицы (вектор) содержит адрес обработчика и новое слово состояния процессора. Позже будет объяснено, для чего это сделано.
Процессор узнает о возникновении прерывания, если на один из входов запроса подан сигнал. Обычно этот сигнал генерируется одним из внешних устройств. Например, прерывание может сигнализировать о завершении операции перемещения головки дисковода или передачи данных в режиме ПДП.
Каждый вход соответствует определенному уровню приоритета. PDP-11 имеет восемь уровней приоритета прерывания. Прерывание происходит только когда уровень приоритета процессора ниже приоритета запрашиваемого прерывания. Если у процессора установлен приоритет, равный 7, внешние прерывания запрещены. Приоритет процессора задается его словом состояния. Получив запрос, процессор завершает исполнение текущей команды и выставляет
сигнал готовности к прерыванию. После этого внешнее устройство выставляет на шине данных номер вектора прерывания.
Процессор считывает номер и вызывает соответствующую процедуру из таблицы. При этом вызов обработчика прерывания отличается от вызова обычной процедуры: при обычном вызове в стеке сохраняется только адрес команды, на которую следует возвратить управление. При прерывании же в стеке сохраняются два значения: адреса команды и слова состояния процессора. Новое слово состояния берется из таблицы векторов.
При этом приоритет процессора автоматически устанавливается равным тому значению, которое разработчик программы обработки считает правильным. Обратите внимание: не равным приоритету обрабатываемого прерывания, а тому, которое требует разработчик.
При завершении процедуры обработки вызывается команда RTI (ReTurn from Interrupt— возврат из прерывания). Эта команда выталкивает из стека адрес прерванной команды и старое слово состояния, тем самым и продолжая исполнение прерванной программы, и восстанавливая приоритет процессора. [Кичев/Некрасов 1988].
Для сравнения: в процессорах семейства 180x86 вектор прерывания содержит только адрес программы-обработчика, а приоритет процессора задается не словом состояния процессора, а регистром внешнего устройства— контроллера прерываний. Контроллер прерываний обычно устанавливает приоритет, равным приоритету прерывания, обрабатываемого в данный момент. Чтобы повысить или понизить этот уровень, обработчик прерывания должен программировать контроллер. Перед завершением обработчика необходимо вернуть контроллер прерываний в исходное состояние, выполнив над ним серию магических команд — эпилог прерывания.
Обработка прерываний в системах с виртуальной памятью несколько усложняется: ведь кроме адреса обработчика нам надо еще задать адресное пространство, в котором этот адрес определен. В моделях PDP-11, имеющих диспетчер памяти, эта проблема решается просто: для процессора в каждый момент времени заданы два адресных пространства: пользовательское и системное. Все прерывания обрабатываются в системном адресном пространстве. Для реализации этого процессор имеет два набора регистров диспетчера памяти. Их наличие, с одной стороны, снимает с обработчика прерывания обязанность переключать адресные пространства, а с другой позволяет ядру при обработке системных вызовов обращаться к сегменту данных пользовательского процесса.
В защищенном режиме процессоров 180x86 использован более гибкий механизм установки адресного пространства для обработчика. По существу, с каждым обработчиком может быть ассоциировано свое виртуальное адресное пространство. О способе, которым это достигается, лучше прочитать в литературе по соответствующим процессорам, например [Паппас/Марри 1993].

Прерывания лишены недостатков, которые мы указали и выше для обработки событий при помощи опроса: ожидая события, процессор может заниматься какой-либо другой полезной работой, а когда событие произойдет, он приступит к обработке, не дожидаясь полного завершения этой работы.
Однако этот механизм имеет и собственные недостатки. В частности, обработка прерывания сопряжена с гораздо большими накладными расходами чем проверка флага и условный переход в режиме ожидания. У оптимизированных для обработки событий микроконтроллеров разница невелика или даже может быть в пользу механизма прерываний: приведенный в примере 6.1 цикл опроса занимает 5 циклов процессора, а обработчик прерывания у PIC вызывается в течение 3—4 циклов ([www.microchip.com PICMicro] утверждает, что средняя задержка прерывания составляет 3,75 цикла). Таким образом, среднее время реакции на событие в режиме опроса составляет 2,5 цикла (по среднему времени опрос в выигрыше), а максимальное -5 циклов (в данном случае преимущество на стороне прерываний).
Однако у процессоров общего назначения, которые при обработке прерывания вынуждены сохранять несколько регистров и осуществлять относительно сложный диалог с вызвавшим прерывание устройством, задержка между установкой сигнала прерывания и исполнением первой команды его обработчика — этот интервал и называется задержкой прерывания (interrupt latency) — составляет десятки тактов.
Современные суперскалярные процессоры при обработке прерываний вынуждены сбрасывать очередь предварительной выборки команд и, по крайней мере, часть кэшей команд и данных, поэтому у.них накладные расходы еще больше. Задержка прерывания у современных реализаций архитектуры х86 лишь ненамного лучше, чем у 80386 хотя по скорости исполнения последовательных программ современные процессоры превосходят 80386 на несколько порядков. Поэтому младшие модели процессоров с архитектурой х86, 8086 и даже 8085, хотя и не находят применения в персональных компьютерах, но продолжают выпускаться для использования во встраиваемых приложениях или в качестве периферийных процессоров.
Так, например, "марсоход" Sojoumer использовал в качестве управляющего процессора 8085 на сапфировой подложке (для обеспечения радиационной устойчивости).
Это же обстоятельство является дополнительным доводом в пользу включения в систему канальных процессоров, в данном случае с целью освобождения центрального процессора не от опроса, а от обработки прерываний. Разработчики больших компьютеров часто реализовывали канальные процессоры старших моделей на основе центральных процессоров младших моделей той же серии.

Исключения

Многие процессоры используют механизм, родственный прерываниям, для обработки не только внешних, но и внутренних событий: мы с вами уже сталкивались с исключительными ситуациями (exception) отсутствия страницы и ошибки доступа в процессорах с виртуальной памятью, а также некоторыми другими — ошибкой шины при доступе к невыровненным словам, заполнению и очистке регистрового окна у SPARC и т. д. Большинство современных процессоров предоставляют исключения при неизвестном коде операции, делении на ноль, арифметическом переполнении или, например, выходе значения операнда за допустимый диапазон в таких операциях, как вычисление логарифма, квадратного корня или арксинуса.
Исключительные ситуации обрабатываются аналогично внешним прерываниям: исполнение программы останавливается, и управление передается на процедуру-обработчик, адрес которой определяется природой исключения.
Отличие состоит в том, что прерывания обрабатываются после завершения текущей команды, а возврат из обработчика приводит к исполнению команды, следующей за прерванной. Исключение же приводит к прекращению исполнения текущей команды (если в процессе исполнения команды мы уже успели создать какие-то побочные эффекты, они отменяются), и сохраненный счетчик команд указывает на прерванную инструкцию. Возврат из обработчика, таким образом, приводит к попытке повторного исполнения операции, вызвавшей исключение.
Благодаря этому, например, обработчик страничного отказа может подкачать с диска содержимое страницы, вызвавшей отказ, перенастроить таблицу дескрипторов и повторно исполнить операцию, которая породила отказ. Обработчик исключения по неопределенному коду операции может использоваться для эмуляции расширений системы команд.
Например, при наличии арифметического сопроцессора операции с плавающей точкой исполняются им, а при отсутствии — пакетом эмулирующих подпрограмм. Благодаря этому может обеспечиваться полная бинарная совместимость между старшими (имеющими сопроцессор) и младшими (не имеющими его) моделями одного семейства компьютеров.
Исключения, возникающие при исполнении привилегированных команд в пользовательском режиме, могут использоваться системой виртуальных машин. Работающее в виртуальной машине ядро ОС считает, что исполняется в системном режиме. На самом же деле оно работает в пользовательском режиме, а привилегированные команды (переключения режима процессора, настройка диспетчера памяти, команды ввода/вывода) приводят к вызову СВМ.
При грамотной реализации обработчиков таких исключений их обработка Произойдет полностью прозрачно для породившей эти исключения программы. Конечно, "подкачка" страницы с диска или программная эмуляция плавающего умножения займет гораздо больше времени, чем простое обращение к памяти или аппаратно реализованное умножение, но, наверное, Потребитель вычислительной системы знал, что делал, когда устанавливал недостаточное количество памяти или приобретал машину без сопроцессора.
Многие другие исключения, такие, как деление на ноль, обычно бессмЬ1с ленно обрабатывать повторной попыткой деления на какое-то другое число В этом случае целесообразно возвратить управление не на команду, вызвав шую исключение, а в какую-то другую точку. Вопрос, впрочем, в том, куда именно следует возвращаться. Понятно, что код, который может восстано виться в случае деления на ноль, сильно зависит от контекста, в котором произошла ошибка (пример 6.2).