Программные прерывания
Хотя большинство прерываний генерируется на аппаратном уровне, ядро Windows генерирует программные прерывания для решения множества задач, среди которых и нижеперечисленные:
- запуск диспетчеризации потоков;
- обработка не критичных по времени прерываний;
- обработка истечения времени таймера;
- асинхронное выполнение процедуры в контексте конкретного потока;
- поддержка асинхронных операций ввода-вывода.
Эти задачи рассматриваются в следующих разделах.
Диспетчеризируемые прерывания или прерывания отложенного вызова процедуры (DeferredProcedureCall, DPC). Когда выполнение потока больше не может продолжаться, возможно, из-за того, что он был завершен или из-за того, что он добровольно вошел в состояние ожидания, ядро напрямую вызывает диспетчер для немедленного переключения контекста.
Но иногда ядро обнаруживает, что перепланирование должно произойти, когда выполняемый код имеет глубокое многоуровневое вложение. В такой ситуации ядро запрашивает диспетчеризацию, но откладывает ее наступление, покуда не завершит свою текущую работу. Использование программного DPC-прерывания является удобным способом реализации этой задержки.
Ядро всегда поднимает IRQL процессора до уровня DPC/dispatch или выше, когда ему нужно синхронизировать доступ к общим структурам ядра. Тем самым блокируются дополнительные программные прерывания и диспетчеризация потоков. Когда ядро обнаруживает необходимость диспетчеризации, оно запрашивает прерывание уровня DPC/dispatch, но процессор задерживает прерывание, поскольку IRQL находится на этом или на более высоком уровне.
Когда ядро завершает свою текущую работу, процессор видит, что оно собирается поставить IRQL ниже уровня DPC/dispatch, и проверяет наличие каких-либо отложенных прерываний диспетчеризации. Если такие прерывания имеются, IRQL понижается до уровня DPC/dispatch, и происходит обработка прерываний диспетчеризации. Активизация диспетчера потоков с помощью программного прерывания является способом, позволяющим отложить диспетчеризацию, пока для нее не сложатся нужные обстоятельства. Но Windows использует программные прерывания для того, чтобы отложить и другие типы обработки.
Кроме диспетчеризации потоков ядро обрабатывает на этом уровне IRQL и отложенные вызовы процедур (DPC). DPC является функцией, выполняющей ту системную задачу, которая менее критична по времени, чем текущая задача.
Функции называются отложенными (deferred), потому что они не требуют немедленного выполнения.
Отложенные вызовы процедур дают операционной системе возможность генерировать прерывание и выполнять системную функцию в режиме ядра.
Ядро использует DPC-вызовы для обслуживания истечений времени таймера (и освобождения потоков, которые ожидают истечения времени таймеров) и для перепланирования времени использования процессора после истечения времени, выделенного потоку (кванта потока). Драйверы устройств используют DPC-вызовы для обработки прерываний. Для обеспечения своевременного обслуживания программных прерываний Windows совместно с драйверами устройств старается сохранять IRQL ниже IRQL-уровней устройств. Одним из способов достижения этой цели является выполнение ISR-процедурами драйверов устройств минимально необходимой работы для оповещения своих устройств, сохранения временного состояния прерывания и задержки передачи данных или обработки других, менее критичных по времени прерываний для выполнения в DPC-вызовах на IRQL-уровне DPC/dispatch.
DPC-вызов представлен DPC-объектом, который является объектом управления ядра, невидимым для программ пользовательского режима, но видимым для драйверов устройств и другого системного кода. Наиболее важной информацией, содержащейся в DPC-объекте, является адрес системной функции, которую ядро вызовет при обработке DPC-прерывания. DPC-процедуры, ожидающие выполнения, хранятся в очередях, управляемых ядром, — по одной очереди на каждый процессор.
Они называются DPC-очередями. Для запроса DPC системный код вызывает ядро для инициализации DPC-объекта, а затем помещает этот объект в DPC-очередь.
По умолчанию ядро помещает DPC-объекты в конец DPC-очереди того процессора, при работе которого была запрошена DPC-процедура (обычно того процессора, на котором выполняется ISR-процедура). Но драйвер устройства может отменить такое поведение, указав DPC-приоритет (низкий, средний, выше среднего или высокий, где по умолчанию используется средний приоритет) и нацелив DPC на конкретный процессор. DPC-вызов, нацеленный на конкретный центральный процессор, известен как целевой DPC. Если DPC имеет высокий приоритет, ядро ставит DPC-объект в начало очереди, в противном случае для всех остальных приоритетов оно ставит объект в конец очереди.
Ядро обрабатывает DPC-вызовы, когда IRQL-уровень процессора готов понизиться с IRQL-уровня DPC/dispatch или более высокого уровня до более низкого IRQL-уровня (APCили passive). Windows обеспечивает пребывание IRQL на уровне DPC/dispatch и извлекает DPC-объекты из очереди текущего процессора до тех пор, пока она не будет исчерпана (то есть ядро «расходует» очередь), вызывая по очереди каждую DPC-функцию. Ядро даст возможность IRQL-уровню упасть ниже уровня DPC/dispatch и позволить продолжить обычное выполнение потока только когда очередь истощится. Обработка DPC изображена на рисунке DPC-приоритеты могут повлиять на поведение системы и другим образом.
Обычно ядро инициирует расход DPC-очереди прерыванием DPC/dispatch-уровня. Ядро генерирует такое прерывание только в том случае, когда DPC-вызов направлен на текущий процессор (тот, на котором выполняется ISR-процедура) и DPC имеет приоритет выше низкого (low). Если DPC имеет низкий приоритет, ядро запрашивает прерывание только в том случае, когда количество невыполненных запросов DPC процессора превышает пороговое значение или если количество DPC-вызовов, выполнение которых запрашивается на процессоре в данном окне времени, невелико.
Доставка DPC-вызова
Если DPC-вызов нацелен на центральный процессор, отличающийся от того, на котором запущена ISR-процедура, и приоритет DPC высокий (high) или выше среднего (medium-high), ядро немедленно сигнализирует целевому центральному процессору (посылая ему диспетчерское IPI) о необходимости расхода его DPC-очереди, но только если целевой процессор находится в режиме ожидания. Если приоритет средний или низкий, то для выдачи ядром прерывания DPC/dispatch количество DPC-вызовов, находящихся в очереди на целевом процессоре, должно превысить определенный порог. Системный поток простоя (idle) также опустошает DPC-очередь того процессора, на котором он запущен. Несмотря на ту гибкость, которую придают системе целевые назначения DPC-вызовов и уровни приоритета, драйверам устройств редко требуется изменять поведение по умолчанию своих DPC-объектов. Ситуации, инициирующие опустошение DPC-очереди, сведены в таблице. Если посмотреть на правила генерации, то, фактически, получается, что приоритеты выше среднего и высокий равны друг другу. Разница проявляется при их вставке в список, когда прерывания высокого уровня находятся впереди, а прерывания уровня выше среднего сзади.
Поскольку потоки пользовательского режима выполняются при низком IRQL, высоки шансы на то, что DPC-вызов прервет выполнение обычного пользовательского потока. DPC-процедуры выполняются независимо от того, какой поток запущен, стало быть, когда запускается DPC-процедура, она не может выстроить предположение насчет того, чье адресное пространство, какого именно процесса в данный момент отображается. DPC-процедуры могут вызывать функции ядра, но они не могут вызывать системные службы, генерировать ошибки отсутствия страницы или же создавать или ожидать объекты диспетчеризации. Тем не менее они могут обращаться к невыгружаемым адресам системной памяти, поскольку системное адресное пространство отображено всегда, независимо от того, что из себя представляет текущий процесс.
Правила генерации DPC-прерывания.
| Приоритет DPC | DPC-вызов нацеливается на процессор, выполняющий ISR -процедуру | DPC-вызов нацеливается на другой процессор |
|---|---|---|
| Низкий (Low) | Длина DPC-очереди превышает максимальную длину DPC-очереди или уровень DPC-запросов ниже минимального уровня DPC-запросов | Длина DPC-очереди превышает максимальную длину DPC-очереди или система находится в простое |
| Средний (Medium) | Всегда | Длина DPC-очереди превышает максимальную длину DPC-очереди или система находится в простое |
| Выше среднего (Medium-High) | Всегда | Целевой процессор простаивает |
| Высокий (High) | Всегда | Целевой процессор простаивает |
DPC-вызовы предоставляются в первую очередь драйверам устройств, но также используются и ядром. Чаще всего ядро использует DPC для обработки истечения кванта времени. При каждом такте системных часов возникает прерывание на IRQL-уровне clock. Обработчик прерывания от часов (запускаемый на IRQL-уровне clock) обновляет системное время и затем уменьшает показании счетчика, отслеживающего продолжительность работы текущего потока.
Когда счетчик доходит до нуля, квант времени потока истекает, и ядру, возможно, нужно будет перепланировать время процессора, то есть выполнить задачу с более низким приоритетом, которая должна выполняться на IRQL-уровне DPC/dispatch.
Обработчик прерывания от часов ставит DPC-вызов в очередь, чтобы инициировать диспетчеризацию потоков, а затем завершить свою работу и понизить IRQL-уровень процессора. Поскольку у DPC-прерывания приоритет ниже, чем у прерываний от устройств, любые отложенные прерывания от устройств, появляющиеся до завершения прерывания от часов, обрабатываются до выдачи DPC-прерывания.
Так как DPC-вызовы выполняются независимо от того, какой из потоков выполняется в данное время на системе (что во многом похоже на прерывания), они являются основной причиной того, что система, на которой они выполняются, становится невосприимчивой к рабочей нагрузке клиентских систем или рабочей станции, потому что даже потоки с самым высоким уровнем приоритета будут прерваны ожидающим DPC-вызовом.
Некоторые DPC-вызовы выполняются настолько долго, что пользователи могут заметить отставание видео или звука или даже ощутить ненормальное замедление реакции мыши или клавиатуры, поэтому для драйверов с продолжительными DPC-вызовами Windows поддерживает потоковые DPC-вызовы.
Потоковые DPC-вызовы, как следует из их названия, предназначены для выполнения DPC-процедуры на пассивном (passive) уровне в потоке с приоритетом реального времени (priority 31). Это позволяет DPC-вызову воспользоваться приоритетом над большинством потоков пользовательского режима (поскольку большинство потоков приложений не запускается в диапазонах приоритетов реального времени). Но это позволяет другим прерываниям, непотоковым DPC-вызовам, APC-вызовам и потокам с более высоким приоритетом реализовать свой приоритет перед данной процедурой.
