Interrupción

1. Terminar la ejecución de la instrucción máquina en curso.
2. Salvar el estado del procesador (valores de registros y flags) y el valor del contador de programa, IP, en la pila, de manera que en la CPU, al terminar el proceso de interrupción, 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, o abreviado 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.

Las interrupciones de hardware son aquellas interrupciones que se producen como resultado de, por lo general, una operación de E/S. No son producidas por ninguna instrucción de un programa sino por las señales que emiten los dispositivos periféricos para indicarle al procesador que necesitan ser atendidos.

Cuando el microprocesador accede a un periférico (disco duro, puerto de comunicación..), puede transcurrir algún tiempo antes de que los datos sean obtenidos o transmitidos. La solución más simple es esperar hasta recibir los datos o hasta que se haya efectuado la transmisión (polling), pero esta solución bloquea todos los programas en ejecución, y eso no puede admitirse en un sistema multitarea. Por ello, en los sistemas modernos se prefiere un funcionamiento mediante interrupciones, ya que éstas permiten mejorar la productividad del procesador, de forma que este último puede ordenar una operación de entrada o salida y, en lugar de tener que realizar una espera activa, se puede dedicar a atender a otro proceso o aplicación hasta que el dispositivo esté de nuevo disponible, siendo dicho dispositivo el encargado de notificar al procesador mediante la línea de interrupción que ya está preparado para continuar o terminar la operación de entrada o salida.

Las excepciones son un tipo de interrupción sincrónica típicamente causada por una condición de error en un programa, como por ejemplo una división entre 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. Así pues, las excepciones son un mecanismo de protección que permite garantizar la integridad de los datos almacenados tanto en el espacio de usuario como en el espacio kernel. Cuando el Sistema Operativo detecta una excepción intenta solucionarla, pero en caso de no poder simplemente notificará la condición de error a la aplicación/usuario y abortará la misma.

Las interrupciones por software, también denominadas llamadas al sistema, son aquellas generadas por un programa mientras este está ejecutándose. En general, actúan de la siguiente manera: Un programa en ejecución llega a una instrucción que requiere del sistema operativo para alguna tarea, por ejemplo para leer un archivo en el disco duro (cuando un programa necesita un dato exterior, se detiene y pasa a cumplir con las tareas de recoger ese dato). En ese momento por tanto llama al sistema y se interrumpe virtualmente hasta recibir respuesta, en el ejemplo anterior hasta que no se haya leído el disco y el archivo esté en memoria principal. Durante esa espera las instrucciones que se ejecutarán no serán del programa, sino del sistema operativo. Una vez este termine su rutina ordenará reanudar la ejecución del programa autointerrumpido en espera. Por último la ejecución del programa se reanuda.

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 este 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 ISR. 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 ISR 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 ISR) 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#).

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: el microprocesador verifica los dispositivos y el orden de sondeo determina la prioridad.
• Daisy-chain (conexión en cadena): se puede 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-collecto 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.

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.

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.