Исключительные ситуации (exceptions) часто рассматриваются вместе с прерываниями. В отличие от прерываний, они возникают синхронно с тактовым генератором процессора. И действительно, их часто называют синхронными прерываниями. Исключительные ситуации генерируются процессором при выполнении машинных инструкций как реакция на ошибку программы (например, деление на нуль) или как реакция на аварийную ситуацию, которая может быть обработана ядром (например, прерывание из-за отсутствия страницы, page fault). Так как большинство аппаратных платформ обрабатывают исключительные ситуации аналогично обработке прерываний, то инфраструктуры ядра, для обоих видов обработки, также аналогичны. Большая часть материала, посвященная обработке прерываний (асинхронных, которые генерируются аппаратными устройствами), также относится и к исключительным ситуациям (синхронным, которые генерируются самим процессором).
С одним типом исключительной ситуации мы уже встречались в предыдущей главе. Там было рассказано, как для аппаратной платформы x86 реализованы системные вызовы на основе программных прерываний. При этом генерируется исключительная ситуация, которая заставляет переключиться в режим ядра и в конечном итоге приводит к выполнению определенного обработчика системного вызова. Прерывания работают аналогичным образом, за исключением того, что прерывания генерируются не программным, а аппаратным обеспечением.
Обработчики прерываний
Функция, которую выполняет ядро в ответ на определенное прерывание, называется обработчиком прерывания (interrupt handler) или подпрограммой обслуживания прерывания (interrupt service routine). Каждому устройству, которое генерирует прерывания, соответствует свой обработчик прерывания. Например, одна функция обрабатывает прерывание от системного таймера, а другая — прерывания, сгенерированные клавиатурой. Обработчик прерывания для какого-либо устройства является частью драйвера этого устройства — кода ядра, который управляет устройством.
В операционной системе Linux обработчики прерываний — это обычные функции, написанные на языке программирования С. Они должны соответствовать определенному прототипу, чтобы ядро могло стандартным образом принимать информацию об обработчике, а в остальном— это обычные функции. Единственное, что отличает обработчики прерываний от других функций ядра, — это то, что они вызываются ядром в ответ на прерывание и выполняются в специальном контексте, именуемом контекстом прерывания (interrupt context), который будет рассмотрен далее.
Так как прерывание может возникнуть в любой момент времени, то, соответственно, и обработчик прерывания может быть вызван в любой момент времени. Крайне важно, чтобы обработчик прерывания выполнялся очень быстро и возобновлял управление прерванного кода по возможности быстро. Поэтому, хотя для аппаратного обеспечения и важно, чтобы прерывание обслуживалось немедленно, для остальной системы важно, чтобы обработчик прерывания выполнялся в течение максимально короткого промежутка времени. Минимально возможная работа, которую должен сделать обработчик прерывания, — это отправить подтверждение устройству, что прерывание получено. Однако обычно обработчики прерываний должны выполнить большее количество работы. Например, рассмотрим обработчик прерывания сетевого устройства. Вместе с отправкой подтверждения аппаратному обеспечению, обработчик прерывания должен скопировать сетевые пакеты из аппаратного устройства в память системы, обработать их, отправить соответствующему стеку протоколов или соответствующей программе. Очевидно, что для этого требуется много работы.
Верхняя и нижняя половины
Ясно, что два указанных требования о том, что обработчик прерывания должен выполняться быстро и, в дополнение к этому, выполнять много работы, являются противоречивыми. В связи с конфликтными требованиями, обработчик прерываний разбивается на две части, или половины. Обработчик прерывания является верхней половиной (top half) — он выполняется сразу после приема прерывания и выполняет работу, критичную к задержкам во времени, такую как отправка подтверждения о получении прерывания или сброс аппаратного устройства. Работа, которую можно выполнить позже, откладывается до выполнения нижней (или основной) половины (bottom half). Нижняя половина обрабатывается позже, в более удобное время, когда все прерывания разрешены. Достаточно часто нижняя половина выполняется сразу же после возврата из обработчика прерывания.
Операционная система предоставляет различные механизмы для реализации обработки нижних половин, которые обсуждаются в главе 7, "Обработка нижних половин и отложенные действия".
Рассмотрим пример разделения обработчика прерывания на верхнюю и нижнюю половины на основе старой доброй сетевой платы. Когда сетевой интерфейсный адаптер получает входящие из сети пакеты, он должен уведомить ядро о том, что доступны новые данные. Это необходимо сделать немедленно, чтобы получить оптимальную пропускную способность и время задержки при передаче информации по сети. Поэтому немедленно генерируется прерывание: «Эй, ядро! Есть свежие пакеты!». Ядро отвечает выполнением зарегистрированного обработчика прерывания от сетевого адаптера.
Обработчик прерывания выполняется, аппаратному обеспечению направляется подтверждение, пакеты копируются в основную память, и после этого сетевой адаптер готов к получению новых пакетов. Эта задача является важной, критичной ко времени выполнения и специфической для каждого типа аппаратного обеспечения. Остальная часть обработки сетевых пакетов выполняется позже — нижней половиной обработчика прерывания. В этой главе мы рассмотрим обработку верхних половин, а в следующей — нижних.
Регистрация обработчика прерывания
Ответственность за обработчики прерываний лежит на драйверах устройств, которые управляют определенным типом аппаратного обеспечения. С каждым устройством связан драйвер, и если устройство использует прерывания (а большинство использует), то драйвер должен выполнить регистрацию обработчика прерывания.
Драйвер может зарегистрировать обработчик прерывания для обработки заданной линии с помощью следующей функции.
/* request_irq: выделить заданную линию прерывания */
int request_irq(unsigned int irq,
irqreturn_t (*handler)(int, void*, struct pt_regs*),
unsigned long irqflags, const char* devname, void *dev_id);
Первый параметр, irq, указывает назначаемый номер прерывания. Для некоторых устройств, таких как, например, обычные устройства персонального компьютера, таймер и клавиатура, это значение, как правило, жестко закреплено. Для большинства других устройств это значение определяется путем проверки (probing) или другим динамическим способом.
Второй параметр, handler, — это указатель на функцию обработчика прерывания, которая обслуживает данное прерывание. Эта функция вызывается, когда в операционную систему приходит прерывание. Следует обратить внимание на специфический прототип функции-обработчика. Она принимает три параметра и возвращает значение типа irqreturn_t. Ниже в этой главе мы более подробно обсудим эту функцию.
Третий параметр, irqflags, может быть равным нулю или содержать битовую маску с одним или несколькими следующими флагами.
• SA_INTERRUPT. Этот флаг указывает, что данный обработчик прерывания — это быстрый обработчик прерывания. Исторически так сложилось, что операционная система Linux различает быстрые и медленные обработчики прерываний. Предполагается, что быстрые обработчики выполняются быстро, но потенциально очень часто, поэтому поведение обработчика прерывания изменяется, чтобы обеспечить максимально возможную скорость выполнения. Сегодня существует только одно отличие: при выполнении быстрого обработчика прерываний запрещаются все прерывания на локальном процессоре. Это позволяет быстрому обработчику завершится быстро, и другие прерывания никак этому не пометают. По умолчанию (если этот флаг не установлен) разрешены все прерывания, кроме тех, которые маскированы на всех процессорах и обработчики которых в данный момент выполняются. Для всех прерываний, кроме прерываний таймера, нет необходимости устанавливать этот флаг.