Программные прерывания

Хотя большинство прерываний генерируется аппаратно, ядро Windows тоже может генерировать прерывания — только они являются программными. 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. Эти задачи подробно рассматриваются ниже.

Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работе процессора. Прерывание– это принудительная передача управления от выполняемой программы к системе (а через нее – к соответствующей программе обработки прерывания), происходящая при возникновении определенного события.

Переключение по прерыванию отличается от переключения, которое происходит по команде безусловного или условного перехода, предусмотренной программистом в потоке команд приложения. Переход по команде происходит в заранее определенных программистом точках программы. Прерывание же происходит в произвольной точке потока команд программы, которую программист не может прогнозировать. Сходство прерываний с процедурами состоит в том, что в обоих случаях выполняется некоторая подпрограмма, обрабатывающая специальную ситуацию, а затем продолжается выполнение основной ветви программы.

В зависимости от источника прерывания делятся на три больших класса: внешние, внутренние и программные.

Внешние (аппаратные) прерывания могут формироваться в результате действий пользователя или аппаратных устройств, например, контроллеров внешних устройств ввода-вывода, датчиков. Данный класс прерываний является асинхронным по отношению к потоку инструкций прерываемой программы. Аппаратура процессора работает так, что асинхронные прерывания возникают между выполнением двух соседних инструкций, при этом система после обработки прерывания продолжает выполнение процесса, уже начиная со следующей инструкции.

Внутренние прерывания, называемые также исключениями (exeption), происходят синхронно выполнению программы при появлении аварийной ситуации в ходе исполнения некоторой инструкции программы. Примерами исключений являются деление на ноль, ошибки защиты памяти, обращения по несуществующему адресу и т. п. Исключения возникают непосредственно в ходе выполнения тактов команды («внутри» выполнения).

Программные прерывания отличаются от предыдущих двух классов тем, что они по своей сути не являются «истинными» прерываниями. Программное прерывание возникает при выполнении особой команды процессора, выполнение которой имитирует прерывание, то есть переход на новую последовательность инструкций.

Прерываниям приписывается приоритет, с помощью которого они ранжируются по степени важности и срочности.

Прерывания обычно обрабатываются модулями операционной системы, так как действия, выполняемые по прерыванию, относятся к управлению разделяемыми ресурсами ВС. Процедуры, вызываемые по прерываниям, обычно называют обработчиками прерываний или процедурами обслуживания прерываний (Interrupt Service Routine, ISK). Аппаратные прерывания обрабатываются драйверами соответствующих внешних устройств, исключения – специальными модулями ядра, а программные прерывания – процедурами ОС, обслуживающими системные вызовы. Кроме этих модулей в операционной системе может находиться так называемый диспетчер прерываний, который координирует работу отдельных обработчиков прерываний.

В начале прерывания использовались в основном для управления процессором устройствами ввода-вывода. Затем прерывания стали использовать для организации внутренней работы ЭВМ. В соответствии с этим существуют следующие типы прерываний:

1. Аппаратные прерывания – прерывания от устройств компьютера.

2. Программные прерывания – прерывания, которые вырабатывают процессы, находящиеся на стадии выполнения.

3. Логические прерывания – Эти прерывания вырабатывает сам процессор, когда встречается с каким-либо необходимым условием:

1. деление на 0

2. переполнение регистров микропроцессора

3. пошаговое выполнение программ

4. режим контрольных точек.

Каждое прерывание имеет два параметра:

1. Номер прерывания

2. Вектор прерывания.

Вектор прерывания– это адрес ячейки памяти, где хранится программа – обработчик прерывания.

Прерывания обозначаются - IRQ.

Переход от выполнения одного потока к другому осуществляется в результате планирования и диспетчеризации. Работа по определению того, в какой момент необходимо прервать выполнение текущего активного потока и какому потоку предоставить возможность выполняться, называется планированием.

Диспетчеризациязаключается в реализации найденного в результате планирования (динамического или статистического) решения, то есть в переключении процессора с одного потока на другой. Прежде чем прервать выполнение потока, ОС запоминает его контекст, с тем, чтобы впоследствии использовать эту информацию для последующего возобновления выполнения данного потока. Контекст отражает, во-первых, состояние аппаратуры компьютера в момент прерывания потока: значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы процессора, флаги, маски прерываний и другие параметры. Во-вторых, контекст включает параметры операционной среды, а именно ссылки на открытые файлы, данные о незавершенных операциях ввода-вывода и т. д.

Диспетчеризация сводится к следующему:

· сохранение контекста текущего потока, который требуется сменить;

· загрузка контекста нового потока, выбранного в результате планирования;

· запуск нового потока на выполнение.

Поскольку операция переключения контекстов существенно влияет на производительность вычислительной системы, программные модули ОС выполняют диспетчеризацию потоков совместно с аппаратными средствами процессора.

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 x86 и 0-15 в системах x64 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. IRQL, определенные для архитектуры x86, показаны на рис. 3–3, а аналогичные сведения для архитектур x64 и IA64 — на рис. 3–4.

ПРИМЕЧАНИЕ Уровень SYNCH_LEVEL, используемый многопроцессорными версиями ядра для защиты доступа к индивидуальным для каждого процессора блокам PRCB (processor control blocks), не показан на этих схемах, так как его значение варьируется в разных версиях Windows. Описание SYNCH_LEVEL и его возможных значений.

Рис. 3–4. Уровни запросов прерываний (IRQL) в системах x64 и IA64

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 с данным 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 с той точки, где он был прерван. Когда ядро понижает IRQL, могут «материализоваться» ранее замаскированные прерывания с более низким приоритетом. Тогда вышеописанный процесс повторяется ядром для обработки и этих прерываний.

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 (о синхронизации мы поговорим позже). При выполнении поток режима ядра повышает или понижает IRQL процессора либо напрямую (вызовом соответственно KeRaiseIrql или KeLowerIrqL), либо — что бывает гораздо чаще — опосредованно (через функции, которые обращаются к синхронизирующим объектам ядра). Как показано на рис.3–5, 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.

Поскольку доступ к PIC — операция довольно медленная, в HAL, использующих PIC, реализован механизм оптимизации «отложенный IRQL» (lazy IRQL), который избегает обращений к PIC Когда IRQL повышается, HAL — вместо того чтобы изменять маску прерывания — просто отмечает новый IRQL. Если вслед за этим возникает прерывание с более низким приоритетом, HAL устанавливает маску прерывания в соответствии с первым и откладывает обработку прерывания с более низким приоритетом до понижения IRQL. Таким образом, если при повышенном IRQL не возникнет прерываний с более низким приоритетом, HAL не потребуется обращаться к PIC.

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. B 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.