Главная » Ядро Linux » Обработчики прерываний

0

Функция,  которую выполняет  ядро в ответ на определенное  прерывание,  называется   обработчиком   прерывания   (interrupt   handler)   ил и  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.  Он и  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 быстрыйобработчикпрерывания.Историческитаксложилось,чтооперационная  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/ir q и /proc/interrupts , которые вскоре  будут рассмотрены.

Пятый параметр, devid , 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_ir q ()  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_ir q  ()  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_creat e ()  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 irq n — это запрошенный номер  линии запроса на прерывание, параметр my_interrup t — 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 devoid  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

Функция                  Описание

request_ir q   ()   Зарегистрировать заданный обработчик прерывания для заданной линии прерывания

f ree_ir q ()            Освободить указанный обработчик прерывания.  Если с линией прерывания больше не связан ни один обработчик, то запретить указанную линию прерывания

Источник: Лав,  Роберт. Разработка ядра  Linux, 2-е  издание. : Пер.  с англ.  — М.  : ООО  «И.Д.  Вильяме» 2006. — 448 с. : ил. — Парал. тит. англ.

По теме:

  • Комментарии