1.Внутреннее устройство Windows (гл. 1-4) - Марк Руссинович

Ядро различает прерывания и исключения: прерывание (interrupt) является асинхронным событием (т. е. оно может произойти в любой момент независимо от текущих команд, выполняемых процессором). Прерывания в основном генерируются устройствами ввода-вывода и таймерами. Их можно включать и отключать. Исключение (exception), напротив, представляет собой синхронное событие, являющееся результатом выполнения конкретной команды. Повторный запуск программы в аналогичных условиях с теми же данными позволит воспроизвести исключение. Примерами исключений могут служить нарушения доступа (ошибки защиты памяти), выполнение некоторых команд отладчика, а также попытки деления на нуль. Ядро также считает исключениями вызовы системных сервисов (хотя с точки зрения технической реализации это системные ловушки).

Прерывания и исключения можно генерировать как программно, так и аппаратно. Например, исключение «bus error» (ошибка шины) возникает из-за аппаратной ошибки, а причиной исключения «divide-by-zero» (деление на нуль) является ошибка в программе. Аналогичным образом прерывания могут генерироваться устройствами ввода-вывода или самим ядром (такие программные прерывания, как, например, APC или DPC).

При аппаратном прерывании или исключении процессор записывает статусную информацию в стек ядра для прерванного потока, чтобы впоследствии можно было вернуться к исходной точке в потоке управления и продолжить выполнение команд так, будто ничего не произошло. Если поток выполнялся в пользовательском режиме, Windows переключается на стек режима ядра для потока. Затем создает в стеке ядра прерванного потока фрейм ловушки (trap frame), в котором сохраняет информацию о состоянии потока. Фрейм ловушки является подмножеством полного контекста потока (см. главу 6), и вы можете просмотреть его определение, введя в отладчике ядра команду dt nt!_ktrap_frame. Программное прерывание ядро обслуживает либо при обработке аппаратного прерывания, либо синхронно — при вызове потоком функции ядра, относящейся к данному программному прерыванию.

B большинстве случаев ядро устанавливает функции, выполняющие общую обработку ловушек до и после передачи управления другим функциям, которые ставят ловушки. Например, когда устройство генерирует прерывание, обработчик ловушек аппаратных прерываний (принадлежащий ядру) передает управление процедуре обслуживания прерывания (interrupt service routine, ISR), предоставленной драйвером соответствующего устройства. Если прерывание возникло в результате вызова системного сервиса, обработчик ловушек общесистемных сервисов передает управление функции указанного системного сервиса в исполнительной системе. Ядро также устанавливает обработчики для ловушек, которые оно не ожидает или не обрабатывает. Эти обработчики, как правило, выполняют системную функцию KeBugCheckEx. Она останавливает компьютер, если ядро обнаруживает в работе системы отклонения, способные привести к повреждению данных (подробнее об этом см. главу 14). Диспетчеризация прерываний, исключений и системных сервисов детальнее описывается в следующих разделах.

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.

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.

Далее мы рассмотрим, как процессор уведомляется об аппаратных прерываниях, какие типы прерываний поддерживаются ядром и как драйверы устройств взаимодействуют с ядром (в процессе обработки прерываний). Кроме того, мы поговорим о распознавании ядром программных прерываний и об объектах, используемых для реализации таких прерываний.

Ha аппаратных платформах, поддерживаемых Windows, прерывания, связанные с внешним вводом-выводом, поступают по одной из линий контроллера прерываний. Контроллер в свою очередь связан с процессором единственной линией, по которой и уведомляет о прерывании. Как только процессор прерывается, он требует от контроллера запрос прерывания (interrupt request, IRQ). Контроллер транслирует IRQ в номер прерывания, используемый как индекс в структуре, называемой таблицей диспетчеризации прерываний (interrupt dispatch table, IDT), и передает управление соответствующей процедуре. При загрузке Windows заносит в IDT указатели на процедуры ядра, обрабатывающие каждое прерывание и исключение.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр IDT

Просмотреть содержимое IDT, включая сведения об обработчиках ловушек, которые Windows назначила прерываниям, можно с помощью команды !idt отладчика ядра. Команда !idt без флагов показывает векторы, которые сопоставлены с адресами в модулях, отличных от Ntoskrnl.exe.

Ниже показано, что выводит команда !idt.

B системе, задействованной в этом эксперименте, номер прерывания 0x3C — с ISR драйвера клавиатуры (I8042prt.sys), а прерывание 0x3B совместно используется несколькими устройствами, в том числе видеоадаптером, шиной PCMCIA, портами USB и IEEE 1394, а также сетевым адаптером.

Windows увязывает аппаратные IRQ с номерами прерываний в IDT. Эта таблица используется системой и при конфигурировании обработчиков ловушек для исключений. Так, номер исключения для ошибки страницы на x86 и x64 (это исключение возникает, когда поток пытается получить доступ к отсутствующей или не определенной в виртуальной памяти странице) равен 0xe. Следовательно, запись 0xe в IDT указывает на системный обработчик ошибок страниц. Хотя архитектуры, поддерживаемые Windows, допус-каютдо 256 элементов в IDT, число IRQ на конкретной машине определяется архитектурой используемого в ней контроллера прерываний.

У каждого процессора имеется своя IDT, так что разные процессоры могут при необходимости выполнять разные ISR. Например, в многопроцессорной системе каждый процессор получает прерывания системного таймера, но обновление значения системного таймера в результате обработки этого прерывания осуществляется только одним процессором. Однако все процессоры используют это прерывание для измерения кванта времени, выделенного потоку, и для инициации новой процедуры планирования по истечении этого кванта. Аналогичным образом в некоторых конфигурациях может понадобиться, чтобы определенные аппаратные прерывания обрабатывал конкретный процессор.

B большинстве систем x86 применяется либо программируемый контроллер прерываний (Programmable Interrupt Controller, PIC) i8259A, либо его разновидность, усовершенствованный программируемый контроллер прерываний (Advanced Programmable Interrupt Controller, APIC) i82489. Новые компьютеры, как правило, оснащаются APIC Стандарт PIC был разработан для оригинальных IBM PC PIC работает только в однопроцессорных системах и имеет 15 линий прерываний. APIC и SAPIC (о нем чуть позже) способен работать в многопроцессорных системах и предлагает 256 линий прерываний. Intel совместно с другими компаниями создали спецификацию Multiprocessor (MP) Specification, стандарт для многопроцессорных систем x86, основанный на использовании APIC Для совместимости с однопроцессорными операционными системами и загрузочным кодом, запускающим многопроцессорную систему в однопроцессорном режиме, APIC поддерживает PIC-совместимый режим с 15 линиями прерываний и передачей прерываний лишь главному процессору. Архитектура APIC показана на рис. 3–2. Ha самом деле APIC состоит из нескольких компонентов: APIC ввода-вывода, принимающего прерывания от устройств, локальных APIC, принимающих прерывания от APIC ввода-вывода по выделенной шине и прерывающих pa-ботутого процессора, с которым они связаны, а также 18259А-совместимого контроллера прерываний, транслирующего входные сигналы APIC в соответствующие PIC-эквиваленты. APIC ввода-вывода отвечает за реализацию алгоритмов перенаправления прерываний, и операционная система выбирает нужный ей алгоритм (в Windows выбор возлагается на HAL). Эти алгоритмы равномерно распределяют между процессорами нагрузку, связанную с обработкой прерываний от устройств, и в максимальной мере используют все преимущества локальности, направляя такие прерывания процессору, который только что обрабатывал прерывания аналогичного типа.