Подпрограмма обработки прерывания

Подпрограмма обработки прерывания

Обработчик прерывания (ISR) представляет собой фрагмент кода, ответственный за очистку источника прерывания.

Это ключевой момент, особенно с учетом того, что прерывание имеет приоритет выше, чем приоритет любой программы. Это означает, что время, затрачиваемое на выполнение обработчика прерывания, может оказать серьезное воздействие на диспетчеризацию потоков. Время выполнения ISR должно быть минимальным. Давайте исследуем этот вопрос несколько подробнее.

Очистка источника прерываний

Аппаратное устройство, которое сгенерировало прерывание, будет удерживать сигнал прерывания до тех пор, пока не удостоверится в том, что прерывание успешно обработано. Поскольку аппаратура не умеет читать мысли, программа должна сообщить ей, что отреагировала на вызвавшую прерывание причину. Обычно это выполняется путем чтения регистра состояния из определенного порта ввода/вывода или блока данных из определенного адресного пространства памяти.

При любом событии обычно есть некоторая форма подтверждения между аппаратными средствами и программным обеспечением, чтобы сбросить сигнал прерывания. (Впрочем, иногда подтверждение не предусматривается — например, когда аппаратные средства генерируют прерывание с полной уверенностью, что программное обеспечение обязательно его обработает.)

Поскольку прерывание выполняется с более высоким приоритетом, чем любой программный поток, мы должны потратить как можно меньше времени на непосредственное выполнение обработчика прерывания, чтобы свести воздействие на диспетчеризацию к минимуму. Если очистка источника прерывания выполняется простым считыванием регистра и возможно, записью полученного значения в глобальную переменную, тогда наша задача проста.

Обработка подобного рода выполняется обработчиком прерываний (ISR) последовательного порта. Аппаратура последовательного порта генерирует прерывание по приему символа. Обработчик считывает регистр, содержащий символ, записывает этот символ в кольцевой буфер. Сделано. Общее время на обработку: единицы микросекунд. Ну, собственно, так и должно быть. Представьте, что произошло бы, если бы вы принимали символы со скоростью 115 Кбод (примерно по символу каждые 100 микросекунд); если бы вы затрачивали на обработку прерывания что-то около 100 микросекунд, у вас бы больше ни на что не осталось времени!

Не поймите меня неправильно. ISR последовательного порта может выполняться несколько дольше, потому что в нем еще предусмотрен опрос устройства на предмет наличия дополнительных символов в очереди.

Понятно, что минимизацию времени, затрачиваемого на обработку прерывания, можно трактовать как «повышение качества обслуживания клиента». В нашей аналогии это минимизация времени занятости телефонной линии, чтобы другие клиенты не услышали сигнал «занято».

А что если обработка слишком сложна? Есть два варианта развития событий:

• Затраты времени на очистку источника прерывания невелики, но надо много чего сделать с оборудованием (клиент задал нам короткий вопрос, но на подготовку ответа требуется значительное время).

• Затраты времени на очистку источника прерывания достаточно велики (клиент долго и запутанно объясняет свою проблему).

В первом случае мы бы захотели очистить источник прерывания как можно быстрее, а затем приказать ядру переложить работу с медленной аппаратурой на некий поток. Преимущество такой схемы состоит в том, что ISR проводит на сверхвысоком приоритете минимальное количество времени, а остальная часть работы выполняется потоками на обычных приоритетах. Это подобно ситуации, когда вы подходите к телефону (сверхвысокий приоритет), а затем передаете фактическую работу одному из своих помощников. Далее в данной главе мы рассмотрим, как ISR предписывает ядру запланировать кого-то еще.

Второй случай достаточно уродливый. Если ISR не очистит источник прерывания на момент своего завершения, ядро немедленно будет повторно прервано программируемым контроллером прерываний (Programmable Interrupt Controller — PIC; в процессорах серии x86 серии это микросхема Intel 8259 или ей эквивалентная).

Специально для любителей контроллеров прерываний — мы вскоре кратко рассмотрим прерывания, активные как по уровню, так и по фронту.

Таким образом, ISR так и будет работать все время и не даст активизироваться никакому потоку, который мог бы выполнить обработку.

И какой же ущербный кусок железа может требовать продолжительного времени на очистку источника прерывания? Базовый контроллер дисковода PC удерживает сигнал прерывания на шине до тех пор, пока вы не прочитаете ряд его регистров состояния. К сожалению, данные в этих регистрах не всегда бывают доступны немедленно, и приходится опрашивать регистры на предмет поступления данных. Это может занять порядка миллисекунды — для компьютера это очень много!

Чтобы решить эту проблему, надо временно маскировать прерывания — явно приказать контроллеру PIC игнорировать прерывания от определенного источника прерываний, пока вы не прикажете ему сделать обратное. В этом случае, даже при активном сигнале прерывания, контроллер PIC будет игнорировать его и ничего не скажет процессору. Это позволит вашему ISR запланировать поток, чтобы вынести работу с аппаратурой за пределы обработчика прерываний. Когда ваш поток закончит передачу данных от аппаратных средств, он может приказать контроллеру PIC демаскировать это прерывание. Это позволяет снова распознавать прерывания от данного аппаратного модуля. В нашей аналогии это подобно переводу звонка ЧУКа на вашего помощника.

Передача работы потоку

Как сделать так, чтобы ISR приказал ядру запланировать поток для выполнение некоторой работы? (Или, наоборот, как сказать ядру, что ему не следует так поступать?)

Ниже приведен псевдокод типового ISR:

FUNCTION ISR

BEGIN

 определить источник прерывания

 очистить источник прерывания

 IF надо передать работу потоку THEN

  RETURN (событие);

 ELSE

  RETURN (NULL);

 END IF

END

Трюк здесь заключается в том, что вместо пустого указателя (NULL) можно возвратить некое событие (типа struct sigevent, мы говорили об этой структуре в главе «Часы, таймеры и периодические уведомления»).

Отметим, что событие, которое вы возвращаете, должно продолжать существовать даже после того, как будет освобожден стек ISR (потому что локальные переменные хранятся в стеке — прим. ред.). Это означает, что событие должно либо быть описано вне ISR, либо передаваться из области устойчивых данных при помощи параметра ISR area, либо быть быть описано в пределах ISR как статическое. Это ваш выбор. Если вы возвращаете событие, ядро доставляет его потоку при возврате из вашего ISR. Поскольку событие «предупреждает» поток (путем передачи ему импульса, как мы говорили в главе «Обмен сообщениями», или сигнала), это может заставить ядро выполнить перепланирование потоков, желающих получить процессор. Если ваш ISR возвращает NULL, это оповещает ядро, что в дополнительных действиях на уровне потоков нет необходимости, и перепланирования не произойдет — будет продолжать выполняться поток, вытесненный вашим ISR.