Interrupción

En el contexto de la informática, una interrupción (del inglés interrupt request, en español «petición de interrupción») es una señal recibida por el procesador de una computadora, que indica 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 proceso, para pasar a ejecutar una subrutina de servicio de interrupción, la cual, por lo general, no forma parte del programa, sino que pertenece al sistema operativo o al BIOS. Una vez finalizada dicha subrutina, se reanuda la ejecución del programa.

Las interrupciones son generadas por los dispositivos periféricos habilitando una señal del CPU (llamada IRQ del inglés "interrupt request") para solicitar atención del mismo. Por ejemplo. cuando un disco duro completa una lectura solicita atención al igual que cada vez que se presiona una tecla o se mueve el ratón.

La primera técnica que se empleó para esto fue el polling, que consistía en que el propio procesador se encargara de sondear los dispositivos periféricos 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 consumía constantemente tiempo y recursos en realizar estas instrucciones de sondeo.

El mecanismo de interrupciones fue la solución que permitió al procesador desentenderse de esta problemática, y delegar en el dispositivo periférico la responsabilidad de comunicarse con él 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.).

Todos los dispositivos que deseen comunicarse con el procesador por medio de interrupciones deben tener asignada una línea única capaz de avisar al CPU cuando le requiere para realizar una operación. Esta línea se denomina IRQ.

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 mismo. El controlador de interrupciones debe ser capaz de habilitar o inhibir las líneas de interrupción y establecer prioridades entre las mismas. 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. También puede darse el caso de que una rutina de tratamiento de interrupción sea interrumpida para realizar otra rutina de tratamiento de una interrupción de mayor prioridad a la que se estaba ejecutando; aunque hay interrupciones que no se pueden deshabilitar (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 a la que debe llamar para atender la petición del dispositivo asociado a dicha IRQ.

El bus de control de la placa base dispone de líneas específicas para el sistema de interrupciones. Un 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.

En el IBM PC y XT existían 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 arquitectura APIC de Intel con 24 líneas y 8 extra para enrutar las interrupciones PCI.

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

Atendiendo a la fuente que las produce, las interrupciones pueden clasificarse de la siguiente forma:

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

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:

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, lo cual suponía un gran costo en cuanto a la relación de número de dispositivos y número de bits usados y a menudo limitaba el número de dispositivos que se podían conectar. Por ello, se pensó con posterioridad en que en cada patilla de interrupción debería poder conectarse más de un dispositivo, debiendo implementar por tanto una metodología que permitiese identificar de forma unívoca de qué dispositivo se trataba. Para ello hay varias directrices:

El sistema operativo necesita un mecanismo para priorizar las interrupciones y tratar primero las más urgentes. Para ello, existen varias alternativas:

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:

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: