Interrupt

Die Tastatur sendet eine Unterbrechungsanforderung, wenn eine Taste gedrückt wurde. Dazu wird ein Signal auf den Bus oder direkt an einen nur dafür vorgesehenen Prozessorpin (IRQ-Eingang) gelegt.[3] Die Unterbrechungsroutine kann daraufhin das jeweilige Zeichen von der Tastatursteuerung lesen und es an die jeweilige Anwendung weiterleiten.

Die Maus sendet eine Unterbrechungsanforderung, wenn die Achsenposition des Gerätes geändert oder eine Maustaste gedrückt wird. Unterstützt werden zwei Maustasten als Hardware-Interrupt (Hardware-Maus). Mausgesten wie der Doppelklick müssen von der Software, etwa einem Betriebssystem, erfasst werden. Zusätzliche Tasten an einer Maus werden nur durch passende Gerätetreiber unterstützt.

Weitere Beispiele, bei denen Geräte eine Unterbrechungsanforderung generieren:

• Netzwerkkarte: wenn Daten empfangen wurden und im Puffer bereitliegen
• Festplatte: wenn die vorher angeforderten Daten gelesen wurden und abholbereit sind (das Lesen von der Festplatte dauert relativ lange)
• Grafikkarte: wenn das aktuelle Bild fertig gezeichnet wurde
• Soundkarte: wenn weitere Sound-Daten zum Abspielen benötigt werden, bevor der Puffer leer wird.

Ältere Computermodelle hatten keine Interrupts.[4] Um 1958 gab es erste Modelle mit Interrupts, ein Beispiel war die Electrologica X1.[5]

In den 1980er Jahren wurden Rasterzeileninterrupts intensiv auf den 8-Bit-Heimcomputern genutzt. Dabei handelt es sich um Hardwareinterrupts, die ausgelöst werden, wenn der Videochip eines Computers die Darstellung einer bestimmten Zeile auf dem Bildschirm beginnt. Rasterzeileninterrupts waren entscheidend für die Programmierung grafisch anspruchsvoller Computerspiele dieser Zeit.

Ein Interrupt dient dazu, auf eine Ein- oder Ausgabe (etwa von Tastatur, Festplatte, Netzwerk oder Zeitgeber) sofort reagieren zu können, während ein anderes Programm (zum Beispiel eine Benutzeranwendung) abgearbeitet wird. Die Interface-Hardware muss nur dann einen Interrupt auslösen, wenn die nächste Interface-Operation nicht möglich ist, beispielsweise bei Puffer leer (Ausgabe), Puffer voll (Eingabe), bei Fehlermeldungen der Interface-Hardware oder bei einem Ereignis ohne Datentransfer (zum Beispiel Timer).

Um ein Interrupt auslösen zu können, muss die an den Hauptprozessor (CPU) angeschlossene Hardware interruptfähig sein, d. h., bei Eintreffen eines bestimmten Ereignisses über die sogenannte Interrupt-Leitung ein Ausgangssignal (elektrische Spannung an einem Ausgangs-Pin) erzeugen. Die CPU hat im Allgemeinen getrennte Pins für maskierbare (abschaltbare) Interrupts (INTR) und nicht maskierbare Interrupts (NMI). Da bei nicht maskierbaren Interrupts zusätzlich noch die Interrupt-Nummer an die CPU übermittelt werden muss, haben viele Systeme einen Interrupt-Controller, an den diese Aufgabe delegiert wird, falls das Peripheriegerät das nicht selbst übernehmen kann.

Vereinfachte Ablaufdarstellung

Im Interruptzyklus der CPU wird der alte (unterbrochene) Befehlszähler-Stand (bei Intel Codesegment und Instruction Pointer) und bei einigen Architekturen auch das Statusregister auf dem Stack gespeichert. Nun muss bestimmt werden, welche Quelle die Unterbrechungsanforderung ausgelöst hat. Bei den meisten CPUs wird die Quelle innerhalb des Interruptzyklus über einen Wert auf dem Datenbus, der üblicherweise vom Interrupt-Controller gesetzt wird, identifiziert, dadurch der zugehörige Interruptvektor gefunden und der Sprung zu der passenden Unterbrechungsroutine (ISR) ausgelöst. Vor oder während der ISR muss noch die bearbeitete Unterbrechungsanforderung (IRQ) gelöscht werden, damit sie nicht erneut ausgelöst wird. Bei Intel(=PC)-kompatiblen Architekturen erfolgt dies durch Input/Output-Instruktionen innerhalb der Unterbrechungsroutine. So können u. U. ohne besondere Maßnahmen in der Software wegen der kurzen Laufzeit bis zur Löschinstruktion auch echte IRQs mit gelöscht werden. Bei einigen CPU-Architekturen, insbesondere bei Mikrocontrollern, kann es mehrere Interrupteingänge geben, wobei hier der Interrupt-Controller schon integriert ist. Bei einfachen CPUs erfolgt nur der IRQ und der Interruptzyklus, wobei per Software überprüft werden muss, welche Quelle der Auslöser war und dementsprechend welche Routine abzuarbeiten ist.

Stehen bis zum Zeitpunkt des Interruptzyklus mehrere IRQs von mehreren Quellen an, so wird mittels eines Auswahlverfahrens durch die Hardware (Interrupt-Controller) der Vektor der wichtigsten Unterbrechungsanfrage bestimmt und abgearbeitet. Im Anschluss folgt die Bearbeitung der anderen noch anstehenden IRQs.

Prinzipieller Ablauf beim Auftreten einer Unterbrechungsanfrage (Übergang von Hardware auf Software):

1. Solange entweder der Interrupteingang der CPU oder der Einzelinterrupt auf dem Interrupt Controller maskiert ist, passiert nichts weiter. Interruptanforderungen werden auch nur nach Ablauf der gerade laufenden Instruktion akzeptiert. Normalerweise bleiben Interruptanforderungen bestehen, bis sie akzeptiert werden.
2. Hardware (Interruptlogik des Interrupt-Controllers) bestimmt den Interruptvektor des aktivierten IRQs mit der höchsten Priorität, der nicht maskiert ist.
3. Die CPU akzeptiert die Unterbrechungsanforderung und führt den Interruptzyklus durch, in dessen Verlauf (je nach CPU) der Interruptvektor vom Datenbus gelesen wird. Danach wird der Interrupteingang automatisch maskiert und somit gesperrt, damit nicht beliebig viele geschachtelte Interruptsequenzen auftreten können und den Stack überlaufen lassen.
4. Im Interruptzyklus der CPU wird der alte (unterbrochene) Befehlszähler-Stand (bei x86 Codesegment cs und Instruction Pointer eip) und bei einigen Architekturen auch das Statusregister auf dem Stack gespeichert. Der neue Befehlszählerstand wird aus bestimmten Speicherstellen oder aus einer Interrupttabelle gelesen, deren Index aus dem Interruptvektor bestimmt wird. Die Vektoren selbst stellen im letzteren Fall jedoch nicht die indirekten Einsprungadressen dar.
5. Die Software der Interrupt-Service-Routine (ISR) startet und muss zunächst die Inhalte aller Register, die sie selbst benutzen wird (ggf. auch das Statusregister, wenn es nicht automatisch gesichert wurde) auf den Stack kopieren, da sonst die Daten der unterbrochenen Tasks nicht wiederhergestellt werden können. (Wenn dabei Fehler gemacht werden, führt das zu zufälligen Fehlerauswirkungen in fremden Programmen, die nur schwer verfolgt werden können!)
6. Die eigentliche Interrupt-Service-Routine läuft nun ab. Je nach Aufgabe werden zum Beispiel Ein- und/oder Ausgabendaten gepuffert zum Beispiel in einem Ringpuffer; hierbei gehen üblicherweise Zeitbezüge verloren, nicht aber Reihenfolgen. Bei Bedarf kann evtl. nach Aufruf einer speziellen Betriebssystemfunktion durch die ISR ein entsprechender Task durch den Scheduler des Betriebssystems gestartet (geweckt) werden. Da das eine Zeit dauert, kann evtl. zwischenzeitlich der gleiche Interrupt erneut auftreten, was im Algorithmus der ISR zu berücksichtigen ist, falls die Interrupts nicht ohnehin maskiert bleiben.
7. Die Software der ISR stellt alle von ihr gesicherten Register wieder her (englisch to restore).
8. Die ISR beendet sich durch einen Rücksprung (RTI), der das Rückspeichern des alten Befehlszählers und ggf. des alten Statusregisters vom Stack bewirkt und der dadurch wieder seinen Stand wie vor der Unterbrechung hat (so als wäre nichts gewesen). Durch die Rückspeicherung des Statusregisters (das auch das Interrupt-Mask-Bit enthält) ist die Interruptlogik unmittelbar bereit, weitere IRQs zu akzeptieren.
9. Die aufgerufene Task kann nun die weitere Bearbeitung der gepufferten Daten übernehmen.

Es wird zwischen präzisen Interrupts und unpräzisen Interrupts unterschieden. Präzise Interrupts halten die Maschine in einem wohldefinierten Zustand, unpräzise nicht.[6]

Ein Software-Interrupt ist ein Programmbefehl, der so wirkt wie ein Hardware-Interrupt, man spricht von einem expliziten Interrupt-Auftrag. Ein Hardwareinterrupt wird dagegen von außen über einen IRQ-Kanal oder -Pin an den Prozessor eingeleitet.[1]

Auch nach ihrem Auslöser werden Interrupts unterschieden:[7]

• Die Ein-/Ausgabegeräte können ein Signal schicken, dass sie mit ihrer Aufgabe fertig sind oder einen Fehler hatten.
• Das Programm kann durch arithmetischen Überlauf, das Teilen durch Null, den Versuch, einen unerlaubten Maschinencode auszuführen, oder eine Referenz auf ein Ziel außerhalb des erlaubten Bereichs einen Interrupt auslösen. Hierbei schlägt eine prozessorinterne Fehlererkennung an und aktiviert den Interrupt auf prozessorinternen, aber rein hardwaremäßigen Signalwegen.
• Der Timer erlaubt dem Betriebssystem, Aufgaben regelmäßig zu erledigen. Dazu werden laufende Programme unterbrochen. So kann ein Timer sowohl in den Prozessor eingebaut sein als auch als externer Baustein vorliegen, in beiden Fällen wirkt sein Ablaufen wie ein Ein-/Ausgabeereignis.

Ein weiterer Unterschied besteht in der Realisierung auf der signalverarbeitenden Ebene:

• Bei level-sensitiven Interrupts reagiert der Prozessor anhaltend und solange auf ein Interrupt-Signal, wie dessen vorgesehener Logikpegel anliegt, aktiv-high und aktiv-low sind mögliche Umsetzungen.
• Bei flanken-sensitiven Interrupts wird das Ereignis durch den Wechsel des Logikpegels selbst angezeigt und dann vom Prozessor für eine vorgegebene Zeitspanne gehalten, normal sind einige wenige Taktzyklen.

Prozessor-Interrupts werden auch als Exceptions bezeichnet und können in drei Typen eingeteilt werden:[8]

• Aborts sind sehr wichtige Fehler, zum Beispiel Hardwarefehler,
• Fehler (Faults) treten vor Abschluss einer Anweisung auf,
• Traps treten nach Abschluss einer Anweisung auf (Einsatz beim Debuggen).

Alle Intel-Prozessoren haben einen Interrupt-Signaleingang für maskierbare Interrupts. Um mehrere Interruptquellen anschließen zu können, gibt es einen eigenen Interrupt-Controller-Baustein (zum Beispiel den Programmable Interrupt Controller, PIC), der mehrere Interrupt-Eingänge besitzt und zu einem Signal zusammenführt. Außerdem ist er über interne Register konfigurierbar, sodass er je nach ausgelöstem Interrupt im CPU-Interruptzyklus verschiedene, vorgegebene Interruptvektoren auf den Bus legt, die die CPU dann einliest. Bei neueren Prozessoren sind all diese Funktionalitäten mit in den Kern des Hauptprozessors integriert.

Bei x86-Prozessoren sind 256 verschiedene Interruptvektoren möglich. Der Interruptvektor wird im Interruptzyklus des Prozessors als 8-Bit-Wert vom Datenbus gelesen. Bei x86-Prozessoren sind die Vektoren selbst nicht die indirekten Einsprungadressen. Der Vektor wird vielmehr im Real-Mode mit 4 multipliziert (binäres Verschieben), damit für jeden Vektor 32-Bit-Sprungadressen untergebracht werden können, zu denen dann gesprungen wird. Im Protected-Mode wird mit 8 multipliziert, weil ein Deskriptoreintrag 8 Bytes lang ist. Im Real Mode befindet sich die Interrupttabelle in dem ersten Kilobyte des Hauptspeichers (0000h:0000h-0000h:03FFh). Jede Interruptnummer benötigt 4 Bytes: 2 Bytes für das Codesegment und 2 für den Offset innerhalb des Segments. Im Protected Mode der CPU wird die Position der Tabelle durch die Interrupt-Deskriptor-Tabelle festgelegt. Hier werden für jeden Interrupt 8 Bytes für den Deskriptor-Eintrag der ISR benötigt.

Bei modernen Systemen (zum Beispiel PCI-Systemen) können sich in der Regel mehrere Geräte einen Interrupteingang teilen (Interrupt-Sharing genannt). Die Behandlungsroutine für einen solchen Interrupt muss dann alle Treiber, deren Geräte diesen Interrupt ausgelöst haben könnten, aufrufen (am IRQ kann dies nicht festgestellt werden). Dabei kann es zu Problemen kommen, wenn einzelne Treiber zu lange aktiv sind, und in der Zwischenzeit im Gerät, welches den Interrupt ursprünglich ausgelöst hat, beispielsweise der Puffer voll wird und überläuft. Im schlimmsten Fall führt dies zu einem Datenverlust.

Bei modernen Peripheriegeräten vergeben der Computer und das Betriebssystem selbst die IRQ-Nummern (PnP = Plug-and-Play-Geräte); während bei alten Steckkarten, beispielsweise bei ISA-Karten, die IRQ-Eingänge von Hand eingestellt werden müssen oder fest auf den Karten verdrahtet sind.

Unter Linux kann man die Interrupts mit folgendem Befehl abfragen: cat /proc/interrupts

Unter Microsoft Windows (XP und neuer) kann man die Interrupts mit folgendem Befehl abfragen: msinfo32.exe → Hardwareressourcen → IRQs

• Kontextwechsel
• Beobachter (Entwurfsmuster)
• Ereignis (Programmierung)

Wiktionary: Interrupt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wiktionary: Unterbrechungsroutine – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikibooks: Erklärung von Unterbrechungen – Kapitel „Prozessor“ des Wikibooks „Computerhardware“

• I/O-Grundlagen
• Ralf Browns Interrupt List
• Interrupts, IRQs und Ressourcenkonflikte auf heise.de
• Stanislavs Interrupt-Tabelle

1. A. Metzlar: BIOS. Das Praxisbuch. Franzis, 2004, ISBN 978-3-7723-6706-9, S. 379.
2. W. Stallings: Operating Systems: Internals and Design Principles. Prentice Hall International, 2000, ISBN 978-0-13-031999-9, S. 136.
3. A. Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. Pearson Studium, 2009, ISBN 978-3-8273-7342-7, S. 406.
4. W. Stallings: Operating Systems: Internals and Design Principles. Prentice Hall International, 2000, ISBN 978-0-13-031999-9, S. 62.
5. E. W. Dijkstra: My recollection of operating system design. (PDF; 1013 kB) EWD 1303, 2000, S. 15
6. A. Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. Pearson Studium, 2009, ISBN 978-3-8273-7342-7, S. 109.
7. W. Stallings: Operating Systems: Internals and Design Principles. Prentice Hall International, 2000, ISBN 978-0-13-031999-9, S. 17.
8. A. Metzlar: BIOS. Das Praxisbuch. Franzis, 2004, ISBN 978-3-7723-6706-9, S. 85.