Разработка ядра Linux - Роберт Лав

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 (set) или очистить (clear) флаг разрешения прерываний (allow interrupt 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.

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[33]. 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.