בשיעור זה נדון בהגדרת הצורך בפסיקות, בהגדרת פסיקות ואיפיונן, ונתחיל בתאור כיצד המעבד ומערכת ההפעלה מטפלים בפסיקות.

חומר קריאה מומלץ המכיל חומר רקע חשוב:

• איך מספק המעבד את ההפשטה שכל תוכנית היא הבעלים הבלעדי של משאבי המחשב (מחזורי חישוב, מקלדת, עכבר, מסך, מדפסת, מודם)?
• איך מתואמים הצרכים השונים של התוכניות המורצות בו-זמנית? דוגמאות:
• מרחב הזיכרון: כל תוכנית סבורה שכל מרחב הזיכרון שייך לה ועומד לרשותה. תוכניות א' לא משפיעה (ללא רשות) על תוכן הזיכרון של תוכנית ב'.
• מחזורי חישוב: כל תוכנית סבורה שהמעבד עסוק אך ורק בהרצת פקודותיה.
• ציוד היקפי: כל תוכנית סבורה שכל הציוד ההיקפי עומד לרשותה (מסך, מודם, כרטיס תקשורת, דיסק).
• איך מאפשרים הרצת הרבה מופעים של אותה התוכנית כאשר כל מופע הוא "בן יחיד"?
• איך יכול מחשב בודד להריץ תוכניות של משתמשים שונים? המשתמשים השונים מחוברים באמצעות מסופים למחשב אחד, מתחרים על משאביו, ואינם מפריעים זה לזה (מעבר ליצירת עומס).

מערכת ההפעלה היא תוכנית אשר מספקת את ההפשטה הנחוצה להרצת הרבה תוכניות בו-זמנית על-ידי משתמשים שונים. עקרון מרכזי בסיפוק הפשטה זו הוא מושג התהליך.

מהו תהליך?

תהליך הוא מופע של ריצה של תוכנית. התהליך מאפשר למערכת ההפעלה לספק לכל תוכנית שמורצת הפשטה של מחשב וירטואלי. הרצה של תוכנית היא הרצה על המחשב הוירטואלי ולא על המחשב הפיזי. מערכת ההפעלה מתאמת בין התהליכים (או המחשבים הוירטואליים) ומקפידה על עקרונות, כגון:

נקודה מעניינת: מערכת ההפעלה היא בעצמה תהליך. מכאן הצורך בשתי רמות לפחות של הרשאות: הרשאה של משתמש רגיל (תהליך שמריץ תוכנית משתמש, ליתר דיוק), והרשאה מיוחסת של "המנגנון" (תהליך שמריץ תוכנית של מערכת ההפעלה). תהליך של מערכת ההפעלה מקבל זכויות-יתר כדי לאפשר תפקוד כנדרש. דוגמאות: (א) מערכת ההפעלה מחליטה מתי ואיך להקצות משאבים לתהליכים. (ב) מערכת ההפעלה מפקחת על גישות לדיסק, ולפיכך מתרגמת את הכתובות הלוגיות לכתובות פיזיות.

מרכיבי ההקשר של תהליך

1. מרחב זיכרון פרטי: תוכנית, נתונים, מחסנית, ערמה, מחסנית של הגרעין.
2. מצב מעבד: תוכן האוגרים הכלליים, תוכן האוגרים המיוחדים.
3. משאבים שמוקצים לתהליך: קבצים, חוצצים, וכו'.

סיבות להחלפת התהליך הפעיל

המעבד מסוגל להריץ בכל עת פקודה בודדת. (נעיר, שמעבדים, שמסוגלים להריץ מספר פקודות במקביל בכל רגע נתון, מתוכננים כך שיהיו שקולים פונקציונלית למעבד שמריץ רק פקודה אחת בכל עת, ולכן אין בפישוט זה החלשה משמעותית של הדיון.) התהליך הפעיל במהלך מחזור שעון מסוים הוא התהליך שהמעבד מריץ פקודה שלו באותו מחזור שעון (הפקודה הנוכחית נקבעת לפי הכתובת האגורה במונה התכנית). מערכת ההפעלה מאפשרת הרדמה של התהליך הפעיל והערה של תהליך אחר שנעשה פעיל.

מתי מחליטה מערכת ההפעלה שיש להרדים את התהליך הפעיל? להלן מספר דוגמאות אופיניות:

1. "שגיאה" בתהליך הפעיל: חלוקה באפס, גישה לא מיושרת לזיכרון, פקודה לא חוקית.
2. סיפוק הפשטת מרחב הזיכרון הפרטי: גישה לכתובת בזיכרון שלא ממופה לזיכרון הראשי (החטאת דף).
3. קריאה למערכת ההפעלה: בקשת הדפסה, כתיבה למסך, קריאת ההקלדה.
4. חלוקת משאבים בין תהליכים: בחלוף פרק זמן מירבי שבו מותר לתהליך להיות פעיל.
5. אירוע תלוי זמן: פעולה שיש לחזור עליה מדי פרק זמן מסוים.
6. תקלות חומרה: טעות בערך שמתקבל בגישה לזיכרון, טעות בגישה לערוץ, דיווח טעות על ידי רכיב חומרה, וכו'.
7. אתחול המחשב: לחיצה על כפתור האתחול או אתחול על-ידי מערכת ההפעלה.

הפסיקות הן אחד מן המרכיבים המרכזיים המאפשרים למערכת ההפעלה לספק את ההפשטה של המחשב הוירטואלי לכל תהליך.

מהי פסיקה?

פסיקה היא שינוי בסדר הרצת הפקודות של תוכנית שאינו נובע מפקודות קפיצה (לרבות: קפיצה, הסתעפות, קריאה לשגרה).

רשימת חלקית של סוגי פסיקות

מאפייני פסיקות

• פסיקה היא פנימית אם התרחשותה נגרמת על-ידי הרצת פקודה המופיעה בתוכנית. דוגמאות: גישה לא מיושרת לזיכרון, פקודה לא חוקית, החטאת דף, גלישה וחלוקה באפס.
• פסיקה היא חיצונית אם התרחשותה נגרמת על-ידי מאורע חיצוני. דוגמאות: לחיצה על כפתור האתחול, הקלדה במקלדת, תקלת חומרה.

1. אפשרות למיסוך: פסיקה ניתנת למיסוך אם התהליך הפעיל יכול לבקש להתעלם ממנה. דוגמאות: גלישה ופסיקות קלט/פלט.
2. חידוש התהליך:

תזכורת: קריאה לשגרה - צילום מצב התוכנית ושיחזורו

יש דמיון רב בין קריאה לשגרת הטיפול בפסיקות ובין קריאה רגילה לשגרה. נזכר במאפיינים של שגרה רגילה:

1. פרמטרים (קלט)
2. קטע תוכנית עם משתנים מקומיים
3. ערך מוחזר בודד (פלט) .

קריאה לשגרה מתבצעת על-ידי סדרת הפעולות הבאות:

חשוב לזכור! כל הפעולות הנחוצות להרצת שגרה מקודדות על-ידי פקודות בשפת מכונה.

השוואה בין טיפול בפסיקה לקריאה לשגרה

1. קריאה לפסיקה אינה ממומשת על-ידי פקודות מכונה בלבד. מצד אחד, טיפול הפסיקה כרוך בקפיצה לשגרת הטיפול בפסיקות. אולם, התרחשות הפסיקה היא בדרך-כלל בלתי צפויה. יתרה מזאת, לפי הגדרת הפסיקה, הקפיצה לשגרת הטיפול בפסיקות אינה מופיעה כפקודה בתוכנית. מסקנה: הקפיצה לשגרת הטיפול בפסיקות מתבצעת על-ידי החומרה לאחר זיהוי התרחשות הפסיקה.
2. משיקולי יעילות, נרצה לקצר את משך הטיפול בפסיקות. לפיכך, צילום המצב ושחזורו מצומצמים למינימום ההכרחי.
3. חלק מצילום המצב ושיחזורו מתבצע על ידי פקודות מכונה שכתובות בשגרת הטיפול בפסיקות. קטעי תוכנית זו הם קריטיים ואסור שהרצתם תופרע על ידי פסיקות כלשהן. מכאן הצורך במימוש קטעים קריטיים.

דוגמא: השוואה בין קריאה לשגרה ובין קריאה למערכת ההפעלה

הסיבה המרכזית להבדלים הללו נעוצה בעובדה שהמתכנת אינו אמור לדעת מהי כתובת הקפיצה לשגרת הטיפול בפסיקות או כל כתובת אחרת ששייכת לאזור המיוחס של מערכת ההפעלה. יתרה מזאת, התוכנית שמורצת בדרך כלל בהרשאה של משתמש אינה מסוגלת לקפוץ לשגרת הטיפול בפסיקות שנמצאת באזור מיוחס. לפיכך, פקודת קפיצה לאזור המיוחס גורמת לניטרול התוכנית על-ידי מערכת ההפעלה. מכאן, שהדרך היחידה לקרוא למערכת ההפעלה היא על-ידי בקשה לפסיקה! למגבלה זו יש גם יתרונות רבים. היא משפרת את המודולריות של מערכת מחשב: המתכנת אינו צריך להכיר את רזי מערכת ההפעלה כיון שאפשר להזמין שרות ממערכת ההפעלה על ידי פקודות "סטנדרטיות".

נפתור בעיות אלו על ידי הגדרת עדיפות לכל פסיקה. העדיפות מאפשרת לקבוע את סדר הטיפול בפסיקות הממתינות לשרות.

דוגמאות:

1. בזמן הבאת פקודה מתרחשות שתי פסיקות: גישה לא מיושרת והחטאת דף.
2. בזמן טיפול בפסיקת קלט/פלט מתרחשת פסיקת החטאת דף.

מתן העדיפויות מבטיח הימנעות ממצב פת. שגרת הטיפול בפסיקות צריכה לקיים מספר דרישות נכונות, למשל: בעת טיפול בפסיקה לא מתרחשת פסיקה של גישה לא מיושרת לזיכרון.