Разработка ядра Linux

Лав Роберт

Не нужно прерывать, мы почти закончили!

В этой главе были рассмотрены прерывания, аппаратные ресурсы, которые используются устройствами для подачи асинхронных сигналов процессору. Прерывания используются аппаратным обеспечением, чтобы прервать работу операционной системы.

Большинство современного аппаратного обеспечения использует прерывания, чтобы взаимодействовать с операционной системой. Драйвер устройства, который управляет некоторым оборудованием, должен зарегистрировать обработчик прерывания, чтобы отвечать на эти прерывания и обрабатывать их. Работа, которая выполняется обработчиками прерываний, включает отправку подтверждения устройству о получении прерывания, инициализацию аппаратного устройства, копирование данных из

памяти устройства в память системы и, наоборот, обработку аппаратных запросов и отправку ответов на них.

Ядро предоставляет интерфейсы для регистрации и освобождения обработчиков прерываний, запрещения прерываний, маскирования линий прерываний и проверки состояния системы прерываний. В табл. 6.2 приведен обзор некоторых из этих функций.

Так как прерывания прерывают выполнение другого кода (кода процессов, кода ядра и другие обработчики прерываний), то они должны выполняться быстро. Тем не менее часто приходится выполнять много работы. Для достижения компромисса между большим количеством работы и необходимостью быстрого выполнения обработка прерывания делится на две половины. Верхняя половина — собственно обработчик прерывания — рассматривается в этой главе. Теперь давайте рассмотрим нижнюю половину процесса обработки прерывания.

Глава 7

Обработка нижних половин и отложенные действия

В предыдущей главе были рассмотрены обработчики прерываний — механизм ядра, который позволяет решать задачи, связанные с аппаратными прерываниями. Конечно, обработчики прерываний очень полезны и являются необходимой частью ядра. Однако, в связи с некоторыми ограничениями, они представляют собой лишь часть процесса обработки прерываний. Эти ограничения включают следующие моменты.

• Обработчики прерываний выполняются асинхронно и потенциально могут прерывать выполнение другого важного кода (даже другие обработчики прерываний). Поэтому обработчики прерываний должны выполняться как можно быстрее.

• Обработчики прерываний выполняются в лучшем случае при запрещенной обрабатываемой линии прерывания и в худшем случае (когда установлен флаг

SA_INTERRUPT

) — при всех запрещенных линиях запросов на прерывания. И снова они должны выполняться как можно быстрее.

• Обработчики прерываний очень критичны ко времени выполнения, так как они имеют дело с аппаратным обеспечением.

• Обработчики прерываний не выполняются в контексте процесса, поэтому они не могут блокироваться.

Теперь должно быть очевидным, что обработчики прерываний являются только частью полного решения проблемы обработки аппаратных прерываний. Конечно, необходим быстрый, простой и асинхронный обработчик, позволяющий немедленно отвечать на запросы оборудования и выполнять критичную ко времени выполнения работу. Эту функцию обработчики прерываний выполняют хорошо, но другая, менее критичная ко времени выполнения работа должна быть отложена до того момента, когда прерывания будут разрешены.

Для этого обработка прерывания делится на две части или половины. Первая часть обработчика прерывания (top half, верхняя половина) выполняется асинхронно и немедленно в ответ на аппаратное прерывание так, как это обсуждалось в предыдущей главе. В этой главе мы рассмотрим вторую часть процесса обработки прерываний — нижние половины (bottom half).

Нижние половины

Задача обработки нижних половин — это выполнить всю связанную с прерываниями работу, которую не выполнил обработчик прерывания. В идеальной ситуации — это почти вся работа, так как необходимо, чтобы обработчик прерывания выполнил по возможности меньшую часть работы (т.е. выполнился максимально быстро) и побыстрее возвратил управление.

Тем не менее обработчик прерывания должен выполнить некоторые действия. Например, почти всегда обработчик прерывания должен отправить устройству уведомление, что прерывание получено. Он также должен

произвести копирование некоторых данных из аппаратного устройства. Эта работа чувствительна ко времени выполнения, поэтому есть смысл выполнить ее в самом обработчике прерывания.

Практически все остальные действия будет правильным выполнить в обработчике нижней половины. Например, если в верхней половине было произведено копирование данных из аппаратного устройства в память, то в обработчике нижней половины, конечно, имеет смысл эти данные обработать. К сожалению, не существует твердых правил, позволяющих определить, какую работу где нужно выполнять, — право решения остается за автором драйвера. Хотя ни одно из решений этой задачи не может быть неправильным, решение легко может оказаться неоптимальным. Следует помнить, что обработчики прерываний выполняются асинхронно при запрещенной, по крайней мере, текущей линии запроса на прерывание. Минимизация этой задержки является важной. Хотя нет строгих правил по поводу того, как делить работу между обработчиками верхней и нижней половин, все же можно привести несколько полезных советов.

• Если работа критична ко времени выполнения, то ее необходимо выполнять в обработчике прерывания.

• Если работа связана с аппаратным обеспечением, то ее следует выполнить в обработчике прерывания.

• Если для выполнения работы необходимо гарантировать, что другое прерывание (обычно с тем же номером) не прервет обработчик, то работу нужно выполнить в обработчике прерывания.

• Для всего остального работу стоит выполнять в обработчике нижней половины.

При написании собственного драйвера устройства есть смысл посмотреть на обработчики прерываний и соответствующие им обработчики нижних половин других драйверов устройств — это может помочь. Принимая решение о разделении работы между обработчиками верхней и нижней половины, следует спросить себя: "Что должно быть в обработчике верхней половины, а что может быть в обработчике нижней половины". В общем случае, чем быстрее выполняется обработчик прерывания, тем лучше.

Когда нужно использовать нижние половины

Часто не просто понять, зачем нужно откладывать работу и когда именно ее нужно откладывать. Вам необходимо ограничить количество работы, которая выполняется в обработчике прерывания, потому что обработчик прерывания выполняется при запрещенной текущей линии прерывания. Хуже того, обработчики, зарегистрированные с указанием флага

SA_INTERRUPT

, выполняются при всех запрещенных линиях прерываний на локальном процессоре (плюс текущая линия прерывания запрещена глобально). Минимизировать время, в течение которого прерывания запрещены, важно для уменьшения времени реакции и увеличения производительности системы. Если к этому добавить, что обработчики прерываний выполняются асинхронно по отношению к другому коду, и даже по отношению к другим обработчикам прерываний, то становится ясно, что нужно минимизировать время выполнения обработчика прерывания. Решение — отложить некоторую часть работы на более поздний срок.

Но что имеется в виду под более поздним сроком? Важно понять, что позже означает не сейчас. Основной момент в обработке нижних половин — это не отложить работу до определенного момента времени в будущем, а отложить работу до некоторого неопределенного момента времени в будущем, когда система будет не так загружена и все прерывания снова будут разрешены.

Не только в операционной системе Linux, но и в других операционных системах обработка аппаратных прерываний разделяется на две части. Верхняя половина выполняется быстро, когда все или некоторые прерывания запрещены. Нижняя половина (если она реализована) выполняется позже, когда все прерывания разрешены. Это решение позволяет поддерживать малое время реакции системы, благодаря тому что работа при запрещенных прерываниях выполняется в течение возможно малого периода времени.