Диспетчеризация прерываний

 

Для обработки аппаратных прерываний ядро устанавливает обработчики ловушек прерываний, которые передают управление внешней процедуре (ISR), обрабатывающей прерывание, или внутренней процедуре ядра, реагирующей на прерывание.

Драйверы устройств предоставляют ISR для обслуживания прерываний от своих устройств, а ядро — внутренние процедуры для обработки других типов прерываний.

Аппаратные прерывания обычно генерируются устройствами ввода-вывода, которые таким образом уведомляют процессор о необходимости уделить им внимание. Устройства, управляемые на основе прерываний, позволяют операционной системе максимально полно использовать процессор, совмещая основную обработку с обслуживанием ввода-вывода. Выдав запрос на ввод-вывод, поток может заняться другой работой, пока устройство выполняет запрошенную операцию. Закончив, устройство генерирует прерывание, и процессор переключается на обслуживание этого устройства. Прерываниями управляются, как правило, координатные устройства, принтеры, клавиатуры, дисковые устройства и сетевые платы.

Системное программное обеспечение также может генерировать прерывания. Ядро способно отключать прерывания, чтобы не прерывать работу процессора, однако это делается нечасто —только в критические моменты, например при обработке прерываний или диспетчеризации исключения.

Уровни запросов программных прерываний

 

Хотя контроллеры прерываний различают уровни приоритетов прерываний, Windows использует свою схему приоритетов прерываний, известную под названием уровни запросов прерываний (interrupt request levels, IRQL). Внутри ядра IRQL представляются в виде номеров 0-31 в системах х86 и 0-15 в системах хб4 и IA64, причем больший номер соответствует прерыванию с более высоким приоритетом. Ядро определяет стандартный набор IRQL для программных прерываний, a HAL увязывает IRQL с номерами аппаратных прерываний.

Прерывания обслуживаются в порядке их приоритета, и прерывания с более высоким приоритетом вытесняют обработку прерываний с меньшим приоритетом. При возникновении прерывания с высоким приоритетом процессор сохраняет информацию о состоянии прерванного потока и активизирует сопоставленный сданным прерыванием диспетчер ловушки. Последний повышает IRQL и вызывает процедуру обслуживания прерывания (ISR). После выполнения ISR диспетчер прерывания понижает IRQL процессора до исходного уровня и загружает сохраненные ранее данные о состоянии машины. Прерванный поток возобновляется стой точки, где он был прерван.

Уровни приоритетов IRQL имеют совершенно иной смысл, чем приоритеты в схеме планирования потоков. Приоритет в этой схеме является атрибутом потока, тогда как IRQL — атрибутом источника прерывания, например клавиатуры или мыши. Кроме того, IRQL каждого процессора меняется во время выполнения команд операционной системы.

Значение IRQL определяет, какие прерывания может получать данный процессор. IRQL также используется для синхронизации доступа к структурам данных режима ядра. При выполнении поток режима ядра повышает или понижает IRQL процессора либо напрямую, либо — что бывает гораздо чаще — опосредованно (через функции, которые обращаются к синхронизирующим объектам ядра). Прерывания от источника с IRQL, превышающим текущий уровень, прерывают работу процессора, а прерывания от источников, IRQL которых меньше или равен текущему уровню, маскируются до тех пор, пока выполняемый поток не понизит IRQL.

Поток режима ядра повышает и понижает IRQL процессора, на котором он выполняется, в зависимости от того, что именно делает этот поток. Например, обработчик ловушки (или сам процессор) при прерывании повышает IRQL процессора до IRQL источника прерывания. В результате все прерывания с более низким или равным IRQL маскируются (только на этом процессоре), что не дает прерыванию с таким же или более низким IRQL помешать процессору обработать текущее прерывание. Замаскированные прерывания либо обрабатываются другим процессором, либо откладываются до понижения IRQL. Поэтому все системные компоненты, в том числе ядро и драйверы устройств, пытаются удерживать IRQL на уровне passive («пассивный»), иногда называемом низким уровнем. Если бы IRQL долго оставался неоправданно высоким, драйверы устройств не смогли бы оперативно реагировать на аппаратные прерывания.

Программные прерывания

 

Этот вид прерываний служит для решения многих задач, в том числе:

• инициации диспетчеризации потоков;
• обработки прерываний, не критичных по времени;
• обработки событий таймеров;
• асинхронного выполнения какой-либо процедуры в контексте конкретного потока;
• поддержки асинхронного ввода-вывода.

Хотя большинство прерываний генерируется аппаратно, ядро Windows тоже может генерировать прерывания — только они являются программными.

38, DPC (отложенный вызов процедуры) — специфический механизм вызова процедур в архитектуре Windows.

Суть DPC

При возникновении прерывания, управление передаётся обработчику прерывания. Существует ряд факторов, ограничивающих возможности кода обработчика прерывания:

• Общей практикой является требование минимизации времени работы обработчика прерывания. Поэтому необходимо воздержаться от выполнения ресурсоёмких и долгих действий непосредственно внутри обработчика прерывания.
• В Windows код обработчика прерывания выполняется на высоком IRQL, что сильно ограничивает набор доступных обработчику ядерных функций: многие функции требуют гораздо более низкого IRQL для своего вызова.

Решением этой проблемы является подход, при котором непосредственно в обработчике выполняются лишь самые критические операции, а остальные действия откладываются до тех пор, пока не появится относительно свободное процессорное время, а IRQL не опустится до допустимого значения (DISPATCH_LEVEL). Тогда эти действия будут выполнены в рамках вызова отложенной (её выполнение было отложено до этого момента) процедуры.

В отличие от обычного вызова процедуры, при котором, фактически, управление сразу же передаётся коду вызываемой процедуры, при DPC-вызове передача управления вызываемой процедуре не происходит — вместо этого адрес вызываемой процедуры и параметры помещаются в специальную очередь^[1], называемую DPC Queue. Когда наступает «благоприятное» время, отложенная процедура вызывается по-настоящему.

Таким образом, обработчик прерывания выполняет только самые необходимые действия и осуществляет отложенный вызов процедуры, которая выполнит все остальные действия, нужные в рамках обработки прерывания, но не требующие повышенной срочности.

Управление DPC

• Для того, чтобы осуществлять отложенные вызовы, необходимо сперва создать объект DPC при помощи ядерной функции KeInitializeDpc.
• Созданному объекту DPC можно изменить приоритет при помощи функци KeSetImportanceDpc, а также переназначить логический процессор, в очередь которого будет помещён отложенный вызов, с помощью KeSetTargetProcessorDpc.
• Постановка DPC в очередь осуществляется вызовом ядерной функции KeInsertQueueDpc.
• Помещённый в очередь DPC можно убрать из очереди вызовом функции KeRemoveQueueDpc.

Поскольку механизм DPC используется главным образом в рамках обработки запросов ввода/вывода, существуют специальные функции-обёртки с префиксом Io для управления отложенными вызовами. В частности, обработчики прерываний, согласно документации, должны использовать именно эти функции.

Примечания

1. ↑ В многопроцессорных системах каждый процессор имеет свою отдельную очередь отложенных вызовов. Так что каждый отложенный вызов ассоциирован с определённым процессором.

 

 

39, Прерывания APC

APC (asynchronous procedure call) позволяет выполнять пользовательские программы и системный код в контексте конкретного пользовательского потока (а значит, и в адресном пространстве конкретного процесса). Посколькудля выполнения в контексте конкретного потока APC ставятся в очередь и выполняются при IRQL ниже «DPC/dispatch», на их работу не налагаются ограничения, свойственные DPC АРС-процедура может обращаться к ресурсам (объектам), ждать освобождения описателей объектов, генерировать ошибки страниц и вызывать системные сервисы.

APC описывается управляющим объектом ядра — ЛРС-объектом. APC, ждущие выполнения, находятся в очереди ЛРС (APC queue), управляемой ядром. Очереди APC — в отличие от общесистемной очереди DPC — специфичны для конкретного потока, так как у каждого потока своя очередь APC При запросе на постановку APC в очередь ядро помещает его (APC) в очередь того потока, который будет выполнять АРС-процедуру. Далее ядро генерирует программное прерывание с уровнем APC, и поток, когда он в конечном счете начинает выполняться, обрабатывает APC

APC бывают двух видов: режима ядра и пользовательского режима. APC режима ядра для выполнения в контексте целевого потока не нужно «разрешение» со стороны этого потока, тогда как для APC пользовательского режима это обязательно. APC режима ядра прерывает поток и выполняет процедуру без вмешательства или согласия потока. APC режима ядра тоже бывают двух типов: обычные (normal) и специальные (special). Поток может отключить все APC режима ядра, повысив IRQL до уровня APC_LEVEL или вызвав KeEnterGuardedRegion, которая впервые появилась в Windows Server 2003. KeEnterGuardedRegion отключает доставку APC, устанавливая поле Spe-cialApcDisable в структуре KTHREAD вызвавшего потока (об этой структуре см. главу 6). Поток также может отключить только обычные APC режима ядра вызовом KeEnterCriticalRegion, которая устанавливает поле KernelApcDisable в структуре KTHREAD потока.

41, В отличие от прерываний, которые могут возникать в любой момент, исключения являются прямым следствием действий выполняемой программы. Windows вводит понятие структурной обработки исключений (structured exception handling, SEH), позволяющей приложениям получать управление при возникновении исключений. При этом приложение может исправить ситуацию, которая привела к исключению, провести раскрутку стека (завершив таким образом выполнение подпрограммы, вызвавшей исключение) или уведомить систему о том, что данное исключение ему не известно, и тогда система продолжит поиск подходящего обработчика для данного исключения.

В системах типа х86 все исключения имеют предопределенные номера прерываний, прямо соответствующие записям в ЮТ, ссылающимся на обработчики ловушек конкретных исключений.

Все исключения, кроме достаточно простых, которые могут быть разрешены обработчиком ловушек, обслуживаются модулем ядра — диспетчером исключений (exception dispatcher). Его задача заключается в поиске обработчика, способного «справиться» сданным исключением. Примерами независимых от архитектуры исключений могут служить нарушения доступа к памяти, целочисленное деление на нуль, переполнение целых чисел, исключения при операциях с плавающей точкой и точки прерывания отладчика.

Исключение	Номер прерывания
	Divide Error (ошибка деления)
	DEBUG TRAP (ловушка отладки)
	NMI/NPX Error (ошибка NMI/NPX)
	Breakpoint (точка прерывания)
	Overflow (переполнение)
	BOUND/Print Screen
	Invalid Opcode (неправильный код операции)
	NPX Not Available (NPX недоступен)
	Double Exception (двойное исключение)
	NPX Segment Overrun (выход за пределы сегмента NPX)
A	Invalid Task State Segment (TSS) (неправильный TSS)
B	Segment Not Present (сегмент отсутствует)
C	Stack Fault (ошибка стека)
D	General Protection (ошибка общей защиты)
E	Page Fault (ошибка страницы)
F	Зарезервировано Intel
	Floating Point (ошибка в операции с плавающей точкой)
	Alignment Check (ошибка контроля выравнивания)

Синхронизация

Синхронизация

Концепция взаимоисключения (mutual exclusion) является одной из ключевых при разработке операционных систем. Ее смысл в следующем: в каждый момент к конкретному ресурсу может обращаться один — и только один — поток. Взаимоисключение необходимо, когда ресурс не предназначен для разделения или когда такое разделение может иметь непредсказуемые последствия.

Например, если бы два потока одновременно копировали данные в порт принтера, отпечатанный документ представлял бы собой нечитаемую мешанину. Аналогичным образом, если бы один поток считывал какой-то участок памяти, когда другой записывал бы туда данные, первый поток получил бы непредсказуемый набор данных. В общем случае доступные для записи ресурсы нельзя разделять без ограничений.

Рис. иллюстрирует, что происходит, когда два потока, выполняемые на разных процессорах, одновременно записывают данные в циклическую очередь.

Разделы кода, обращающиеся к неразделяемым ресурсам, называются критическими секциями (critical sections). В критической секции единовременно может выполняться только один поток.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: