Роберт Лав - Разработка ядра Linux

• Название: Разработка ядра Linux
• Автор: Роберт Лав
• Жанр: Программирование
• Год: 2006
• ISBN: 5-8459-1085-4

В книге детально рассмотрены основные подсистемы и функции ядер Linux серии 2.6, включая особенности построения, реализации и соответствующие программны интерфейсы. Рассмотренные вопросы включают: планирование выполнения процессов, управление временем и таймеры ядра, интерфейс системных вызовов, особенности адресации и управления памятью, страничный кэш, подсистему VFS, механизмы синхронизации, проблемы переносимости и особенности отладки. Автор книги является разработчиком основных подсистем ядра Linux. Ядро рассматривается как с теоретической, так и с прикладной точек зрения, что может привлечь читателей различными интересами и потребностями.

Книга может быть рекомендована как начинающим, так и опытным разработчикам программного обеспечения, а также в качестве дополнительных учебных материалов.

---

Реализация системы обработки прерываний

Возможно, не вызовет удивления, что реализация системы обработки прерываний в операционной системе Linux очень сильно зависит от аппаратной платформы. Она зависит от типа процессора, типа контроллера прерываний, особенностей аппаратной платформы и устройства самой вычислительной машины.

На рис. 6.1 показана диаграмма пути, который проходит запрос на прерывание в аппаратном обеспечении и в ядре.

Рис. 6.1. Прохождение запроса на прерывание в аппаратном обеспечении и в ядре

Устройство инициирует прерывание путем отправки электрического сигнала контроллеру прерывания по аппаратной шине. Если соответствующая линия запроса на прерывание не запрещена (линия может быть в данный момент времени замаскирована), то контроллер прерываний отправляет прерывание процессору. Для большинства аппаратных платформ это осуществляется путем подачи сигнала на специальный вывод процессора. Если прерывания не запрещены в процессоре (может случиться, что они запрещены), то процессор немедленно прекращает ту работу, которую он выполнял, запрещает систему прерываний, осуществляет переход на специальный предопределенный адрес памяти и начинает выполнять программный код, который находится по этому адресу. Этот предопределенный адрес памяти устанавливается ядром и является точкой входа в обработчики прерываний.

Прохождение прерывания в ядре начинается из жестко определенной точки входа, так же как и в случае системных вызовов. Для каждой линии прерывания существует своя уникальная точка, куда переходит процессор. Именно этим способом ядро получает информацию о номере IRQ приходящего прерывания. В точке входа сначала в стеке ядра сохраняется значение номера прерывания и значения всех регистров процессора (которые соответствуют прерванному заданию). После этого ядро вызывает функцию do_IRQ(). Далее, начиная с этого момента, почти весь код обработки прерываний написан на языке программирования С, хотя несмотря на это код все же остается зависимым от аппаратной платформы.

Функция do_IRQ() определена следующим образом.

unsigned int do_IRQ(struct pt_regs regs);

Так как соглашение о вызовах функций в языке С предусматривает сохранение аргументов функций в вершине стека, то структура pt_regs содержит первоначальные значения всех регистров процессора, которые были сохранены ассемблерной подпрограммой в точке входа. Так как значение номера прерывания также сохраняется, то функция do_IRQ() может это значение восстановить. Для аппаратной платформы x86 код будет следующим.

int irq = regs.orig_eax & 0xff;

После вычисления значения номера линии прерывания, функция do_IRQ() отправляет уведомление о получении прерывания и запрещает доставку прерываний с данной линии. Для обычных машин платформы PC, эти действия выполняются с помощью функции mask_and_ack_8295A(), которую вызывает функция do_IRQ(). Далее функция do_IRQ() выполняет проверку, что для данной линии прерывания зарегистрирован правильный обработчик прерывания, что этот обработчик разрешен и что он не выполняется в данный момент. Если все эти условия выполнены, то вызывается функция handle_IRQ_event(), которая выполняет установленные для данной линии обработчики прерывания. Для аппаратной платформы x86 функция handle_IRQ_event() имеет следующий вид.

int handle_IRQ_event(unsigned int irq, struct pt_regs *regs,

 struct irqaction *action) {

 int status = 1;

 if (!(action->flags & SA_INTERRUPT))

  local_irq_enable();

 do {

  status != action->flags;

  action->chandler(irq, action->dev_id, regs);

  action = action->next;

 } while (action);

 if (status & SA_SAMPLE_RANDOM)

  add_interrupt_randomness(irq);

 local_irq_disable();

 return status;

}

Так как процессор запретил прерывания, они снова разрешаются, если не указан флаг SA_INTERRUPT при регистрации обработчика. Вспомним, что флаг SA_INTERRUPT указывает, что обработчик должен выполняться при всех запрещенных прерываниях. Далее в цикле вызываются все потенциальные обработчики прерываний. Если эта линия не является совместно используемой, то цикл заканчивается после первой итерации. В противном случае вызываются все обработчики. После этого вызывается функция add_interrupt_randomness(), если при регистрации указан флаг SA_SAMPLE_RANDOM. Данная функция использует временные характеристики прерывания, чтобы сгенерировать значение энтропии для генератора случайных чисел. В приложении Б, "Генератор случайных чисел ядра", приведена более подробная информация о генераторе случайных чисел ядра.

В конце прерывания снова запрещаются (для функции do_IRQ() требуется, чтобы прерывания были запрещены). Функция do_IRQ() производит очистку стека и возврат к первоначальной точке входа, откуда осуществляется переход к функции ret_from_intr().

Функция ret_from_intr(), так же как и код входа, написана на языке ассемблера. Эта функция проверяет, есть ли ожидающий запрос на перепланирование выполнения процессов (следует вспомнить главу 4, "Планирование выполнения процессов", и флаг need_resched). Если есть запрос на перепланирование и ядро должно передать управление в пространство пользователя (т.е. прерывание прервало работу пользовательского процесса), то вызывается функция schedule(). Если возврат производится в пространство ядра (т.е. прерывание прервало работу кода ядра), то функция schedule() вызывается, только если значение счетчика preempt_count равно нулю (в противном случае небезопасно производить вытеснение кода ядра), После возврата из функции schedule() или если нет никакой ожидающей работы, восстанавливаются первоначальные значения регистров процессора и ядро продолжает работу там, где оно было прервано.

Для платформы x86, подпрограммы, написанные на языке ассемблера, находятся в файле arch/i386/kernel/entry.S, а соответствующие функции на языке С — в файле arch/i386/kernel/irq.с. Для других поддерживаемых аппаратных платформ имеются аналогичные файлы.

Интерфейс /proc/interrupts

Файловая система procfs — это виртуальная файловая система, которая существует только в памяти ядра и обычно монтируется на каталог /proc. Чтение или запись файлов на файловой системе procfs приводит к вызовам функций ядра, которые имитируют чтение или запись обычных файлов. Важный пример — это файл /proc/interrupts, который содержит статистику, связанную с прерываниями в системе, Ниже приведен пример вывода из этого файла на однопроцессорном персональном компьютере.

CPU0

  0: 3602371 XT-PIC timer

  1: 3048    XT-PIC i8042

  2: 0       XT-PIC cascade

  4: 2689466 XT-PIC uhci-hcd, eth0

  5: 0       XT-PIC EMU10K1

 12: 85077   XT-PIC uhci-hcd

 15: 24571   XT-PIC aic7xxx

NMI: 0

LOC: 3602236

ERR: 0

Первая колонка содержит названия линий прерывания. В показанной системе присутствуют линии прерываний с номерами 0–2, 4, 5, 12 и 15. Линии, для которых не инсталлирован обработчик, не показываются. Вторая колонка — это количество запросов на прерывания с данным номером. В действительности такая колонка является отдельной для каждого процессора, но в данной машине только один процессор.

Как легко видеть, обработчик прерываний таймера получил 3.602.371[32] запрос на прерывание, в то время как обработчик прерываний звукового адаптера (EMU10K1) не получил ни одного прерывания (это говорит о том, что он не использовался с того момента, как машина была загружена). Третья колонка— это контроллер прерываний, который обслуживает данное прерывание. Значение XT-PIC соответствует программируемому контроллеру прерываний PC (PC programmable interrupt controller). Для систем с устройством I/О APIC для большинства прерываний в качестве контроллера прерываний будет указано значение IO-APIC-level или IO-APIC-edge. И наконец, последняя колонка — это устройство, которое связано с прерыванием. Имя устройства указывается в параметре dev_name при вызове функции request_irq(), как обсуждалось ранее. Если прерывание используется совместно, как в случае прерывания номер 4 в этом примере, то перечисляются все устройства, зарегистрированные на данной линии прерывания.

Для любопытствующих, код, связанный с файловой системой procfs, находится в файле fs/proc. Функция, которая обеспечивает работу интерфейса /proc/interrupts, называется show_interrupts() и является зависимой от аппаратной платформы.

Управление прерываниями

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 <asm/system.h> и <asm/irq.h>. В табл. 6.2 приведен полный список этих интерфейсов.