Раздел 17. Прерывания, события, обработка исключений

17.1. Аппаратные и программные прерывания

Процесс выполнения любого приложения находится под постоянным контролем операционной системы. Система выделяет приложению ресурсы, необходимые для решения задачи, защищает эти ресурсы от несанкционированного доступа со стороны других приложений, выполняющихся в это же время. Для продвижения параллельно работающих приложений операционная система выделяет каждому из них определенный квант времени, в течение которого процессор занимается обслуживанием очередного задания. Одновременно система должна не забывать и о собственных нуждах – ей приходится следить за функционированием драйверов, выполняющих заказы приложений по общению с периферийным оборудованием, вовремя реагировать на различные события (сигналы таймера, вмешательство пользователя и т.п.).

Основным механизмом, помогающим операционной системе в этой работе, является аппарат прерываний (в англоязычной технической литературе для его обозначения используется термин interrupt). Не вдаваясь в тонкости технической реализации, действие этого механизма можно представить себе следующим образом. Для фиксации возникающих событий используется специальный регистр прерываний, в котором каждый разряд связан с определенным событием (англ. event – событие). При возникновении этого события разряд регистра прерываний взводится в "1", после чего должна сработать специальная системная функция, реагирующая на это событие. В операционной системе MS-DOS для реализации подобного механизма был предусмотрен участок в начале оперативной памяти под названием "вектор прерываний". Каждая компонента этого вектора представляла собой команду передачи управления на функцию обработки соответствующего события. При возникновении того или иного события аппаратно останавливалось выполнение текущей программы, автоматически запоминалось состояние центрального процессора (содержимое регистров, установка различных флажков) и управление передавалось вектору, индекс которого соответствовал номеру события. Разряд в регистре прерываний при этом сбрасывался в "0". После обработки события состояние прерванного процесса восстанавливалось, и работа продолжалась. Некоторые события требовали безотлагательного вмешательства операционной системы, другие могли "подождать". Для предотвращения зацикливания имелась возможность заблокировать прием других сигналов прерывания на время обработки срочного события.

Причины, по которым возникали те или иные события, можно разделить на две категории. К первой относились события, связанные с нормальным функционированием тех или иных устройств компьютера – сигналы датчиков времени, сигналы, поступающие при нажатии клавиш клавиатуры или других устройств управления (мышь, джойстик), сигналы драйверов, завершивших выполнение порученных им операций, критическое изменение уровня питающего напряжения. Эту группу можно отнести к аппаратным прерываниям. Причина других событий кроется в ненормальном функционировании приложения, которое предпринимает попытку разделить на нуль, извлечь квадратный корень из отрицательного аргумента, выйти за пределы отведенной ему памяти, передать управление по несуществующему адресу, нарушить границы того или иного массива. Одним словом, речь идет об ошибках, которые могут возникнуть во время исполнения программы. Такого рода прерывания называют программными. Для их обработки существуют две возможности. Если приложение не позаботилось об индивидуальной реакции на программные ошибки, то операционная система сообщит о возникшей ситуации и прервет работу приложения. Вторая возможность, которая может продолжить работу приложения, связана с запрограммированной реакцией самого приложения на те или иные нештатные ситуации.

Одним из первых алгоритмических языков, в которых появилась возможность организовать индивидуальную реакцию на ошибки периода выполнения программы, был Бейсик. И хотя на первых порах профессионалы его просто проигнорировали, уже в ранних версиях Бейсика были предусмотрены операторы типа ON ERROR GOTO ... и ON ERROR GOSUB... . Они позволяли включить в программу пользователя те фрагменты, которые могли реагировать на динамически возникающие ошибки. Для анализа возникшей ситуации приложение могло использовать системные переменные типа ERR (код программной ошибки), ERL (номер строки исходной программы, при выполнении которой была обнаружена ошибка) и др. С тех пор прошел не один десяток лет, пока создатели языка C++ не удосужились включить в состав языковых средств аналогичные конструкции для обработки особых ситуаций (англ. Exception – исключение).

В средах визуального программирования механизм событий является основным инструментом управления приложения со стороны пользователя и взаимодействия компонент друг с другом.