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.

• SA_SAMPLE_RANDOM. Этот флаг указывает, что прерывания, сгенерированные данным устройством, должны вносить вклад в пул энтропии ядра. Пул энтропии ядра обеспечивает генерацию истинно случайных чисел на основе различных случайных событий. Если этот флаг указан, то моменты времени, когда приходят прерывания, будут введены в пул энтропии. Этот флаг нельзя устанавливать, если устройство генерирует прерывания в предсказуемые моменты времени (как, например, системный таймер) или на устройство может повлиять внешний злоумышленник (как, например, сетевое устройство). С другой стороны, большинство устройств генерируют прерывания в непредсказуемые моменты времени и поэтому являются хорошим источником энтропии. Для более подробного описания пула энтропии ядра см.. приложение Б, "Генератор случайных чисел ядра".

• SA_SHIRQ. Этот флаг указывает, что номер прерывания может совместно использоваться несколькими обработчиками прерываний (shared). Каждый обработчик, который регистрируется на одну и ту же линию прерывания, должен указывать этот флаг. В противном случае для каждой линии может существовать только один обработчик прерывания. Более подробная информация о совместно используемых обработчиках прерываний приведена в следующем разделе.

Четвертый параметр, devname, — это ASCII-строка, которая описывает, какое устройство связано с прерыванием. Например, для прерывания клавиатуры персонального компьютера это значение равно "keyboard". Текстовые имена устройств применяются для взаимодействия с пользователями с помощью интерфейсов /proc/irq и /proc/interrupts, которые вскоре будут рассмотрены.

Пятый параметр, dev_id, в основном, применяется для совместно используемых линий запросов на прерывания. Когда обработчик прерывания освобождается (описано ниже), параметр dev_id обеспечивает уникальный идентификатор (cookie), который позволяет удалять только необходимый обработчик линии прерывания. Без этого параметра было бы невозможно ядру определить, какой обработчик данной линии прерывания следует удалить. Если линия запроса на прерывание не является совместно используемой, то можно в качестве этого параметра указывать NULL, если же номер прерывания является совместно используемым, то необходимо указывать уникальный идентификатор (cookie) (если устройство не подключено к тине ISA, то, скорее всего, оно поддерживает совместно используемые номера прерываний).

Этот параметр также передается обработчику прерывания при каждом вызове. Обычная практика — это передача указателя на структуру устройства (контекст устройства), так как этот параметр является уникальным, и, кроме того, в обработчике прерывания может быть полезным иметь указатель на эту структуру.

В случае успеха функция request_irq() возвращает нуль. Возврат ненулевого значения указывает на то, что произошла ошибка и указанный обработчик прерывания не был зарегистрирован. Наиболее часто встречающийся код ошибки — это значение -EBUSY, что указывает на то, что данная линия запроса на прерывание уже занята (и или при текущем вызове, или при первом вызове не был указан флаг SA_SHIRQ).

Следует обратить внимание, что функция request_irq() может переходить в состояние ожидания (sleep) и, соответственно, не может вызываться из контекста прерывания, или в других ситуациях, когда код не может блокироваться. Распространенной ошибкой является мнение, что функцию request_irq() можно безопасно вызывать в случаях, когда нельзя переходить в состояние ожидания. Это происходит отчасти от того, что действительно сразу непонятно, почему функция request_irq() должна чего-то ожидать. Дело в том. что при регистрации происходит добавление информации о линии прерывания в каталоге /proc/irq. Функция proc_mkdir() используется для создания новых элементов на файловой системе procfs. Эта функция вызывает функцию proc_create() для создания новых элементов файловой системы procfs, которая в свою очередь вызывает функцию kmalloc() для выделения памяти. Как будет показано в главе 11, "Управление памятью", функция kmalloc() может переходить в состояние ожидания. Вот так вот!

Для регистрации линии прерывания и инсталляции обработчика в коде драйвера можно использовать следующий вызов.

if (request_irq(irqn, my_interrupt, SA_SHIRQ, "my_device", dev)) {

 printk(KERN_ERR "my_device: cannot register IRQ %d\n", irqn);

 return -EIO;

}

В этом примере параметр irqn — это запрошенный номер линии запроса на прерывание, параметр my_interrupt — это обработчик этой линии прерывания, линия запроса на прерывание может быть совместно используемой, имя устройства — "my_device", dev — значение параметра dev_id. В случае ошибки код печатает сообщение, что произошла ошибка, и возвращается из выполняющейся функции. Если функция регистрации возвращает нулевое значение, то обработчик прерывания инсталлирован успешно. С этого момента обработчик прерывания будет вызываться в ответ на приходящие прерывания. Важно произвести инициализацию оборудования и регистрацию обработчика прерывания в правильной последовательности, чтобы предотвратить возможность вызова обработчика до того момента, пока оборудование не инициализировано.

 

Освобождение обработчика прерывания

Для освобождения линии прерывания необходимо вызвать функцию

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

Если указанная линия не является совместно используемой, то эта функция удаляет обработчик и запрещает линию прерывания. Если линия запроса на прерывание является совместно используемой, то удаляется обработчик, соответствующий параметру dev_id. Линия запроса на прерывание также запрещается, когда удаляется последний обработчик. Теперь понятно, почему важно передавать уникальное значение параметра dev_id. При использовании совместно используемых прерываний требуется уникальный идентификатор для того, чтобы отличать друг от друга различные обработчики, связанные с одним номером прерывания, и позволить функции free_irq() удалять правильный обработчик. В любом случае, если параметр dev_id не равен значению NULL, то он должен соответствовать тому обработчику, который удаляется.

Вызов функции free_irq() должен производиться из контекста процесса.

Таблица 6.1. Список функций управления регистрацией прерываний

 

Следующее описание является типичным для обработчика прерывания.

static irqreturn_t intr_handler(int irq, void *dev_id,

 struct pt_regs *regs);

Заметим, что оно должно соответствовать аргументу, который передается в функцию request_irq(). Первый параметр, irq, — это численное значение номера прерывания, которое обслуживается обработчиком. Сейчас этот параметр практически не используется, кроме разве что при печати сообщений. Для версий ядра, меньших 2.0, не было параметра dev_id, поэтому параметр irq использовался, чтобы различать устройства, которые обслуживаются одним драйвером, и поэтому используют один и тот же обработчик прерываний (как пример можно рассмотреть компьютер с несколькими контроллерами жесткого диска одного типа).

Второй параметр, dev_id, — это указатель, равный значению, которое было передано в функцию request_irq() при регистрации обработчика прерывания. Если значение этого параметра является уникальным, что необходимо для поддержки совместно используемых прерываний, то его можно использовать как идентификатор для того, чтобы отличать друг от друга различные устройства, которые потенциально могут использовать один обработчик. В связи с тем, что структура (контекст) устройства (device structure) является как уникальной, так и, возможно, полезной при использовании в обработчике, обычно в качестве параметра dev_id передают указатель на эту структуру.

Последний параметр, regs, — это указатель на структуру, содержащую значения регистров процессора и состояние процессора, которые были сохранены перед началом обслуживания прерывания. Этот параметр используется редко, в основном для отладки. Сейчас разработчики начинают склоняться к мысли, что этот параметр нужно убрать. В существующих обработчиках прерываний он используется мало, и если его убрать, то не будет больших разочарований.

Возвращаемое значение обработчиков прерываний имеет специальный тип irqreturn_t. Обработчик может возвращать два специальных значения: IRQ_NONE или IRQ_HANDLED. Первое значение возвращается, если обработчик прерывания обнаружил, что устройство, которое он обслуживает, не является источником прерывания. Второе значение возвращается, если обработчик вызван правильно и устройство, которое он обслуживает, является источником прерывания. Кроме этого, может быть использован макрос IRQ_RETVAL(x). Если значение параметра x не равно нулю, то макрос возвращает значение IRQ_HANDLED, иначе возвращается значение, равное IRQ_NONE. Эти специальные значения позволяют дать ядру информацию о том, генерирует ли устройство паразитные (необрабатываемые) прерывания. Если все обработчики прерывания, которые обслуживают данную линию, возвращают значение IRQ_NONE, то ядро может обнаружить проблему. Заметим, что этот странный тип возвращаемого значения, irqreturn_t, просто соответствует типу int. Подстановка типа используется для того, чтобы обеспечить совместимость с более ранними версиями ядра, у которых не было подобной функции. До серии ядер 2.6 обработчик прерывания имел возвращаемое значение типа void. В коде новых драйверов можно применить переопределение типа typedef irqreturn_t в тип void и драйверы могут работать с ядрами серии 2.4 без дальнейшей модификации.

Обработчик прерываний может помечаться как static, так как он никогда не вызывается непосредственно в других файлах кода.

Роль обработчика прерывания зависит только от устройства и тех причин, по которым это устройство генерирует прерывания. Минимально, обработчик прерывания должен отправить устройству подтверждение о том, что прерывание получено. Дли более сложных устройств необходимо дополнительно отправить и принять данные, а также выполнить другую более сложную работу. Как уже упоминалось, сложная работа должна по возможности выполняться обработчиком нижней половины прерывания, которые будут рассмотрены в следующей главе.

Реентерабельность и обработчики прерываний

Обработчики прерываний в операционной системе Linux не обязаны быть реентерабельными. Когда выполняется некоторый обработчик прерывания, соответствующая линия запроса на прерывание маскируется на всех процессорах, что предотвращает возможность приема запроса на прерывание с этой пинии. Обычно все остальные прерывания в этот момент разрешены, поэтому другие прерывания могут обслуживаться, тогда как текущая линия всегда является запрещенной. Следовательно, никакой обработчик прерываний никогда не вызывается параллельно самому себе для обработки вложенных запросов на прерывание. Это позволяет значительно упростить написание обработчиков прерываний.

 

Совместно используемые обработчики

Совместно используемые (shared) обработчики выполняются практически так же, как и не совместно используемые. Существует, однако, три главных отличия.

• Флаг SA_SHIRQ должен быть установлен в параметре flags при вызове функции request_irq().

• Аргумент dev_id этой же функции должен быть уникальным для каждого зарегистрированного обработчика. Достаточным является передача указателя на структуру, которая описывает устройство. Обычно так и поступают, поскольку структура контекста устройства является уникальной для каждого устройства, и, кроме того, данные этой структуры потенциально могут быть полезными при выполнении обработчика. Для совместно используемого обработчика нельзя присваивать параметру dev_id значение NULL!

• Обработчик прерывания должен иметь возможность распознать, сгенерировано ли прерывание тем устройством, которое обслуживается этим обработчиком. Для этого требуется как поддержка аппаратного обеспечения, так и наличие соответствующей логики в обработчике прерывания. Если аппаратное устройство не имеет необходимых функций, то не будет никакой возможности в обработчике прерывания определить, какое из устройств на совместно используемой линии является источником прерывания.

Все драйверы, которые рассчитаны на совместно используемую линию прерывания, должны удовлетворять указанным выше требованиям. Если хотя бы одно из устройств, которые совместно используют линию прерывания, не делает это корректно, то все остальные устройства также не смогут совместно использовать линию. Если функция request_irq() вызывается с указанием флага SH_SHIRQ, то этот вызов будет успешным только в том случае, если для данной линии прерывания еще нет зарегистрированных обработчиков или все обработчики для данной линии зарегистрированы с указанием флага SH_SHIRQ. Заметим, что для ядер серии 2.6, в отличие от более ранних серий, можно "смешивать" совместно используемые обработчики с различными значениями флага SA_INTERRUPT.

Когда ядро получает прерывание, то оно последовательно вызывает все обработчики, зарегистрированные для данной линии. Поэтому важно, чтобы обработчик прерывания был в состоянии определить, какое устройство является источником этого прерывания. Обработчик должен быстро завершиться, если соответствующее ему устройство не генерировало это прерывание. Такое условие требует, чтобы аппаратное устройство имело регистр состояния (status register) или другой аналогичный механизм, которым обработчик может воспользоваться для проверки. На самом деле большинство устройств действительно имеют данную функцию.

 

Настоящий обработчик прерывания

Давайте рассмотрим настоящий обработчик прерывания, который используется в драйвере устройства RTC (real-time clock, часы реального времени), находящегося в файле drivers/char/rtc.c. Устройство RTC есть во многих вычислительных системах, включая персональные компьютеры (PC). Это отдельное от системного таймера устройство, которое используется для установки системных часов, для подачи сигналов таймера (alarm) или для реализации генераторов периодических сигналов (periodic timer). Установка системных часов обычно производится путем записи значений в специальный регистр или диапазон адресов (номеров портов) ввода-вывода (I/O range). Подача сигналов таймера или генератор периодических сигналов обычно реализуются через прерывания. Прерывание эквивалентно некоторому сигналу таймера: оно генерируется, когда истекает период времени сигнального таймера. При загрузке драйвера устройства RTC вызывается функция rtc_init() для инициализации драйвера. Одна из ее обязанностей — это регистрация обработчика прерывания. Делается это следующим образом.

if (request_irq(RTC_IRQ, rtc_interrupt, SA_INTERRUPT, "rtc", NULL) {

 printk(KERN_ERR "rtc: cannot register IRQ %d\n" , rtc_irq);

 return -EIO;

}

Из данного примера видно, что номер линии прерывания — это константа RTC_IRQ, значение которой определяется отдельно для каждой аппаратной платформы с помощью препроцессора. Например, для персональных компьютеров это значение всегда соответствует IRQ 8. Второй параметр— это обработчик прерывания, rtc_interrupt, при выполнении которого запрещены все прерывания в связи с указанием флага SA_INTERRUPT. Из четвертого параметра можно заключить, что драйвер будет иметь имя "rtc". Так как наше устройство не может использовать линию прерывания совместно с другими устройствами и обработчик прерывания не используется для каких-либо других целей, в качестве параметра dev_id передается значение NULL.

И наконец, собственно сам обработчик прерывания.

/*

* Очень маленький обработчик прерывания. Он выполняется с

* установленным флагом SA_INTERRUPT, однако существует

* возможность конфликта с выполнением функции set_rtc_mmss()

* (обработчик прерывания rtc и обработчик прерывания системного

* таймера могут выполняться одновременно на двух разных

* процессорах). Следовательно, необходимо сериализировать доступ

* к микросхеме с помощью спин-блокировки rtc_lock, что должно

* быть сделано для всех аппаратных платформ в коде работы с

* таймером. (Тело функции set_rtc_mmss() ищите в файлах

* ./arch/XXXX/kernel/time.c)

*/

static irqreturn_t rtc_interrupt(int irq, void *dev_id,

 struct pt_regs *regs) {

 /*

 * Прерывание может оказаться прерыванием таймера, прерыванием

 * завершения обновления или периодическим прерыванием.

 * Состояние (причина) прерывания хранится в самом

 * младшем байте, а общее количество прерывание — в оставшейся

 * части переменной rtc_irq_data

 */

 spin_lock(&rtc_lock);

 rtc_irq_data += 0x100;

 rtc_irq_data &= ~0xff;

 rtc_irq_data |= (CMOS_READ(RTC_INTR_FLAGS) & 0xF0);

 if (rtc_status & RTC_TIMER_ON)

  mod_timer(&rtc_irq_timer, jiffies + HZ/rtc_freq + 2*HZ/100);

 spin_unlock(&rtc_lock);

 /*

 * Теперь выполним остальные действия

 */

 spin_lock(&rtc_task_lock);

 if (rtc_callback)

  rtc_callback->func(rtc_callback->private_data);

 spin_unlock(&rtc_task_lock);

 wake_up_interruptible(&rtc_wait);

 kill_fasync(&rtc_async_queue, SIGIO, POLL_IN);

 return IRQ_HANDLED;

}

Эта функция вызывается всякий раз, когда система получает прерывание от устройства RTC. Прежде всего, следует обратить внимание на вызовы функций работы со спин-блокировками: первая группа вызовов гарантирует, что к переменной rtc_irq_data не будет конкурентных обращений другими процессами на SMP-машине, а вторая — защищает в аналогичной ситуации параметры структуры rtc_callback. Блокировки обсуждаются в главе 9, "Средства синхронизации в ядре".

Переменная rtc_irq_data содержит информацию об устройстве RTC и обновляется с помощью функции mod_timer(). О таймерах рассказывается в главе 10, "Таймеры и управление временем".

Последняя часть кода, окруженная спин-блокировками, выполняет функцию обратного вызова (callback), которая может быть установлена извне. Драйвер RTC позволяет устанавливать функцию обратного вызова, которая может быть зарегистрирована пользователем и будет исполняться при каждом прерывании, приходящем от устройства RTC.

В конце функция обработки прерывания возвращает значение IRQ_HANDLED, чтобы указать, что прерывание от данного устройства обработано правильно. Так как этот обработчик прерывания не поддерживает совместное использование линий прерывания и не существует механизма, посредством которого обработчик прерываний RTC может обнаружить вложенные запросы на прерывание, то этот обработчик всегда возвращает значение IRQ_HANDLED.

 

Контекст прерывания

При выполнении обработчика прерывания или обработчика нижней половины, ядро находится в контексте прерывания. Вспомним, что контекст процесса — это режим, в котором работает ядро, выполняя работу от имени процесса, например выполнение системного вызова или потока пространства ядра. В контексте процесса макрос current возвращает указатель на соответствующее задание. Более того, поскольку в контексте процесса процесс связан с ядром, то контекст процесса может переходить в состояние ожидания или использовать функции планировщика каким- либо другим способом..

В противоположность только что рассмотренному, контекст прерывания не связан ни с одним процессом. Макрос current в контексте прерывания является незаконным (хотя он и указывает на процесс, выполнение которого было прервано). Так как нет процесса, то контекст прерывания не может переходить в состояние ожидания (sleep) — действительно, каким образом можно перепланировать его выполнение? Поэтому некоторые функции ядра не могут быть вызваны из контекста прерывания. Если функция может переводить процесс в состояние ожидания, то ее нельзя вызывать в обработчике прерывания, что ограничивает набор функций, которые можно использовать в обработчиках прерываний.

Контекст прерывания является критичным ко времени исполнения, так как обработчик прерывания прерывает выполнение некоторого программного кода. Код же самого обработчика должен быть простой и быстрый. Использование циклов проверки состояния чего-либо (busy loop) крайне нежелательно. Это очень важный момент. Всегда следует помнить, что обработчик прерывания прерывает работу некоторого кода (возможно, даже обработчика другой линии запроса на прерывание!). В связи со своей асинхронной природой обработчики прерываний должны быть как можно более быстрыми и простыми. Максимально возможную часть работы необходимо изъять из обработчика прерывания и переложить на обработчик нижней половины, который выполняется в более подходящее время.

Возможность установить стек контекста прерывания является конфигурируемой. Исторически, обработчик прерывания не имеет своего стека. Вместо этого он должен был использовать стек ядра прерванного процесса. Стек ядра имеет размер две страницы памяти, что обычно соответствует 8 Кбайт для 32-разрядных аппаратных платформ и 16 Кбайт для 64-разрядных платформ. Так как в таком случае обработчики прерываний совместно используют стек, то они должны быть очень экономными в отношении того, что они в этом стеке выделяют. Конечно, стек ядра изначально является ограниченным, поэтому любой код ядра должен принимать это во внимание.

В ранних версиях ядер серии 2.6 была введена возможность ограничить размер стека ядра от двух до одной страницы памяти, что равно 4 Кбайт на 32-разрядных аппаратных платформах. Это уменьшает затраты памяти, потому что раньше каждый процесс требовал две страницы памяти ядра, которая не может быть вытеснена на диск. Чтобы иметь возможность работать со стеком уменьшенного размера, каждому обработчику прерывания выделяется свой стек, отдельный для каждого процессора. Этот стек называется стеком прерывания. Хотя общий размер стека прерывания и равен половине от первоначально размера совместно используемого стека, тем не менее в результате выходит, что суммарный размер стека получается большим, потому что на каждый стек прерывания выделяется целая страница памяти.

Обработчик прерывания не должен зависеть от того, какие настройки стека используются и чему равен размер стека ядра. Всегда необходимо использовать минимально возможное количество памяти в стеке.

 

В ядре Linux реализовано семейство интерфейсов для управления состояниями прерываний в машине. Эти интерфейсы позволяют запрещать прерывания для текущего процессора или маскировать линию прерывания для всей машины. Эти функции очень сильно зависят от аппаратной платформы и находятся в файлах и . В табл. 6.2 приведен полный список этих интерфейсов.

Причины, по которым необходимо управлять системой обработки прерываний, в основном, сводятся к необходимости обеспечения синхронизации. Путем запрещения прерываний можно гарантировать, что обработчик прерывания не вытеснит текущий исполняемый код. Более того, запрещение прерываний также запрещает и вытеснение кода ядра. Однако ни запрещение доставки прерываний, ни запрещение преемптивности ядра не дают никакой защиты от конкурентного обращения других процессоров. Так как операционная система Linux поддерживает многопроцессорные системы, в большинстве случаев код ядра должен захватить некоторую блокировку, чтобы предотвратить доступ другого процессора к совместно используемым данным. Эти блокировки обычно захватываются в комбинации с запрещением прерываний на текущем процессоре. Блокировка предоставляет защиту от доступа другого процессора, а запрещение прерываний обеспечивает защиту от конкурентного доступа из возможного обработчика прерывания. В главах 8 и 9 обсуждаются различные аспекты проблем синхронизации и решения этих проблем.

Тем не менее понимание интерфейсов ядра для управления прерываниями является важным.

 

Запрещение и разрешение прерываний

Для локального запрещения прерываний на текущем процессоре (и только на текущем процессоре) и последующего разрешения можно использовать следующий код.

local_irq_disable();

/* прерывания запрещены ... */

local_irq_enable();

Эти функции обычно реализуются в виде одной инструкции на языке ассемблера (что, конечно, зависит от аппаратной платформы). Для платформы x86 функция local_irq_disable() — это просто машинная инструкция cli, а функция local_irq_enable() — просто инструкция sti. Для хакеров, не знакомых с платформой x86, sti и cli — это ассемблерные вызовы, которые соответственно позволяют установить (s e t ) или очистить (cl ear ) флаг разрешения прерываний (allow i nterrupt flag ). Другими словами, они разрешают или запрещают доставку прерываний на вызвавшем их процессоре.

Функция local_irq_disable() является опасной в случае, когда перед ее вызовом прерывания уже были запрещены. При этом соответствующий ей вызов функции local_irq_enable() разрешит прерывания независимо от того, были они запрещены первоначально (до вызова local_irq_disable()) или нет. Для того чтобы избежать такой ситуации, необходим механизм, который позволяет восстанавливать состояние системы обработки прерывании в первоначальное значение. Это требование имеет общий характер, потому что некоторый участок кода ядра в одном случае может выполняться при разрешенных прерываниях, а в другом случае— при запрещенных, в зависимости от последовательности вызовов функций. Например, пусть показанный фрагмент кода является частью функции. Эта функция вызывается двумя другими функциями, и в первом случае перед вызовом прерывания запрещаются, а во втором — нет. Так как при увеличении объема кода ядра становится сложно отслеживать все возможные варианты вызова функции, значительно безопаснее сохранять состояние системы прерываний перед тем, как запрещать прерывания. Вместо разрешения прерываний просто восстанавливается первоначальное состояние системы обработки прерываний следующим образом.

unsigned long flags;

local_irq_save(flags);

/* прерывания запрещены . . */

local_irq_restore(flags);

/* состояние системы прерываний восстановлено

   в первоначальное значение ... */

Нужно заметить, что эти функции являются макросами, поэтому передача параметра flags выглядит как передача по значению. Этот параметр содержит зависящие от аппаратной платформы данные, которые в свою очередь содержат состояние системы прерываний. Так как, по крайней мере для одной аппаратной платформы (SPARC), в этой переменной хранится информация о стеке, то параметр flags нельзя передавать в другие функции (другими словами, он должен оставаться в одном и том же стековом фрейме). По этой причине вызовы функций сохранения и восстановления должны выполняться в теле одной функции.

Все описанные функции могут вызываться как из обработчика прерываний, так и из контекста процесса.

Больше нет глобального вызова cli()

Ранее ядро предоставляло функцию, с помощью которой можно было запретить прерывания на всех процессорах системы. Более того, если какой-либо процессор вызывал эту функцию, то он должен был ждать, пока прерывания не будут разрешены. Эта функция называлась cli() , а соответствующая ей разрешающая функция — sti() ; очень "x86-центрично" (хотя и было доступно для всех аппаратных платформ). Эти интерфейсы были изъяты во время разработки ядер серии 2.5, и, следовательно, все операции по синхронизации обработки прерываний должны использовать комбинацию функций по управлению локальными прерываниями и функций работы со спин-блокировками (обсуждаются в главе 9, "Средства синхронизации в ядре"). Это означает, что код, который ранее должен был всего лишь глобально запретить прерывания для того, чтобы получить монопольный доступ к совместно используемым данным, теперь должен выполнить несколько больше работы.

Ранее разработчики драйверов могли считать, что если в их обработчике прерывания и в любом другом коде, который имеет доступ к совместно используемым данным, вызывается функция cli() , то это позволяет получить монопольный доступ. Функция cli() позволяла гарантировать, что ни один из обработчиков прерываний (в том числе и другие экземпляры текущего обработчика) не выполняется. Более того, если любой другой процессор входит в участок кода, защищенный с помощью функции cli() , то он не продолжит работу, пока первый процессор не выйдет из участка кода, защищенного с помощью функции cli() , т.е. не вызовет функцию sti() .

Изъятие глобальной функции cli() имеет несколько преимуществ. Во-первых, это подталкивает разработчиков драйверов к использованию настоящих блокировок. Специальные блокировки на уровне мелких структурных единиц работают быстрее, чем глобальные блокировки, к которым относится и функция cli() . Во-вторых, это упрощает значительную часть кода и позволяет удалить большой объем кода. В результате система обработки прерываний стала проще и понятнее.

 

Запрещение определенной линии прерывания

В предыдущем разделе были рассмотрены функции, которые позволяют запретить доставку всех прерываний на определенном процессоре. В некоторых случаях полезным может оказаться запрещение определенной линии прерывания во всей системе. Это называется маскированием линии прерывания. Например, может потребоваться запрещение доставки прерывания от некоторого устройства перед манипуляциями с его состоянием. Для этой цели операционная система Linux предоставляет четыре интерфейса.

void disable_irq(unsigned int irq);

void disable_irq_nosync(unsigned int irq);

void enable_irq(unsigned int irq);

void synchronize_irq(unsigned int irq);

Первые две функции позволяют запретить указанную линию прерывания в контроллере прерываний. Это запрещает доставку данного прерывания всем процессорам в системе. Кроме того, функция disable_irq() не возвращается до тех пор, пока все обработчики прерываний, которые в данный момент выполняются, не закончат работу. Таким образом гарантируется не только то, что прерывания с данной линии не будут доставляться, но и то, что все выполняющиеся обработчики закончили работу. Функция disable_irq_nosync() не имеет последнего свойства.

Функция synchronize_irq() будет ожидать, пока не завершится указанный обработчик, если он, конечно, выполняется.

Вызовы этих функций должны быть сгруппированы, т.е. каждому вызову функции disable_irq() или disable_irq_nosync() должен соответствовать вызов функции enable_irq(). Только после последнего вызова функции enable_irq() линия запроса на прерывание будет снова разрешена. Например, если функция disable_irq() последовательно вызвана два раза, то линия запроса на прерывание не будет разрешена, пока функция enable_irq() тоже не будет вызвана два раза.

Эти три функции могут быть вызваны из контекста прерывания и из контекста процесса и не приводят к переходу в приостановленное состояние (sleep). При вызове из контекста прерывания следует быть осторожным! Например, нельзя разрешать линию прерывания во время выполнения обработчика прерывания (вспомним, что линия запроса на прерывание обработчика, который в данный момент выполняется, является замаскированной).

Было бы также плохим тоном запрещать линию прерывания, которая совместно используется несколькими обработчиками. Запрещение линии прерывания запрещает доставку прерываний для всех устройств, которые используют эту линию. Поэтому в драйверах новых устройств не рекомендуется использовать эти интерфейсы. Так как устройства PCI должны согласно спецификации поддерживать совместное использование линий прерываний, они вообще не должны использовать эти интерфейсы. Поэтому функция disable_irq() и дружественные ей обычно используются для устаревших устройств, таких как параллельный порт персонального компьютера.

 

Состояние системы обработки прерываний

Часто необходимо знать состояние системы обработки прерываний (например, прерывания запрещены или разрешены, выполняется ли текущий код в контексте прерывания или в контексте процесса).

Макрос irq_disabled(), который определен в файле , возвращает ненулевое значение, если обработка прерываний на локальном процессоре запрещена. В противном случае возвращается нуль. Два следующих макроса позволяют определить контекст, в котором в данный момент выполняется ядро.

in_interrupt()

in_irq()

Наиболее полезный из них — это первый макрос. Он возвращает ненулевое значение, если ядро выполняется в контексте прерывания. Это включает выполнение как обработчика прерывания, так и обработчика нижней половины. Макрос in_irq() возвращает ненулевое значение, только если ядро выполняет обработчик прерывания.

Наиболее часто необходимо проверять, выполняется ли код в контексте процесса, т.е. необходимо проверить, что код выполняется не в контексте прерывания. Это требуется достаточно часто, когда коду необходимо выполнять что-то, что может быть выполнено только из контекста процесса, например переход в приостановленное состояние. Если макрос in_interrupt() возвращает нулевое значение, то ядро выполняется в контексте процесса.

Таблица 6.2. Список функций управления прерываниями