Windows и обработка в режиме реального времени
Среда реального времени, аппаратная или программная, характеризуется требованиями выдерживания критического срока. Аппаратные системы реального времени (например, система управления атомной электростанцией) имеют критические сроки, которые должны соблюдаться системой, чтобы избежать катастрофических сбоев, приводящих к выходу из строя оборудования или к человеческим жертвам.
Программные системы реального времени (например, автомобильные системы оптимизации расхода топлива) имеют критические сроки, которые могут быть пропущены системой, но своевременность по-прежнему является желаемым свойством. В системах реального времени у компьютеров есть сенсорные устройства ввода и управляющие устройства вывода. Конструктор компьютерных систем реального времени должен знать наихудшие значения задержек между временем генерирования прерывания входным устройством и временем возможного управления реакцией выходного устройства со стороны драйвера устройства. Этот анализ наихудшей ситуации должен принимать в расчет задержки операционной системы, возникающие как из-за задержек приложения, так и из-за задержек, вносимых драйверами устройств.
Поскольку Windows не допускает управляемой установки приоритетов IRQ-запросов устройств и приложений пользовательского уровня только в случае пребывания процессорного IRQL-уровня в пассивном состоянии, Windows обычно не подходит в качестве операционной системы реального времени. В конечном счете, наибольшие задержки определяются не Windows, а устройствами системы и драйверами устройств. Этот фактор становится проблемой, когда разработчики систем реального времени используют какое-нибудь стандартное оборудование.
У конструкторов могут возникнуть сложности в определении продолжительности наихудших задержек ISR или DPC стандартных устройств. Даже после тестирования конструктор не может гарантировать, что частный случай в живой системе не заставит эту систему пропустить критический срок. Более того, суммарное значение всех задержек системных DPC и ISR может существенно превышать значение, допустимое для чувствительной ко времени системы.
Хотя требования реального времени есть у многих типов встроенных систем (например, у принтеров и автомобильных компьютеров), у Windows Embedded Standard 7 характеристики реального времени отсутствуют. Это просто одна из разновидностей Windows 7, позволяющая выпускать компактные версии этой операционной системы, подходящие для запуска на устройствах с ограниченными ресурсами. Например, устройство без сетевых возможностей опустит все компоненты Windows 7, связанные с работой в сети, включая средства управления сетью, а также адаптер и драйвера устройств стека протокола.
Кроме того, существуют сторонние производители, поставляющие для Windows ядра реального времени. Подход, используемый ими, заключается во встраивании их ядра реального времени в специализированный HAL и в принуждении Windows запускаться в качестве задачи в операционной системе реального времени. Задача, запускающая Windows, служит в качестве пользовательского интерфейса к системе и имеет более низкий приоритет по сравнению с задачами, ответственными за управление устройством.
Связывание ISR с конкретным уровнем прерывания называется подключением объекта прерывания, а разобщение ISR и записи IDT называется отключением объекта прерывания. Эти операции, выполняемые путем вызова функций ядра IoConnectInterruptEx и IoDisconnectInterruptEx, позволяют драйверу устройства «включать» ISR при загрузке драйвера в систему и «выключать» ISR, если драйвер выгружается.
Использование объекта прерывания для регистрации ISR препятствует тому, чтобы драйверы устройства возились непосредственно с аппаратными средствами прерывания (имеющими отличия, связанные с архитектурами процессоров), и избавляет от необходимости знать обо всех подробностях IDT. Это свойство ядра помогает в создании переносимых драйверов устройств, поскольку оно исключает необходимость программировать на языке ассемблера или отражать разнообразие процессоров в драйверах устройств.
Объекты прерываний предоставляют также и другие преимущества. За счет использования объекта прерывания ядро может синхронизировать выполнение ISR с другими частями драйвера устройства, которые могут использовать с IRS общие данные.
Более того, объекты прерываний позволяют ядру легко вызывать более одной ISR-процедуры для любого уровня прерывания. Если объекты прерываний создаются несколькими драйверами устройств и подключаются к одной и той же записи IDT, диспетчер прерываний вызывает каждую процедуру при возникновении прерывания на указанной линии прерывания.
Эта возможность позволяет ядру легко поддерживать конфигурации, составленные из последовательных цепей, в которых несколько устройств совместно используют одну и ту же линию прерывания. Цепь прерывается, когда одна из ISR-процедур заявляет о правах собственности на прерывание, возвращая статус диспетчеру прерываний.
Если одновременного обслуживания требуют несколько устройств, использующих одно и то же прерывание, то, как только диспетчер прерываний снизит IRQL, устройства, не получившие подтверждения от своих ISR-процедур, снова выставят прерывание системы. Выстраивание в цепочку будет разрешено, только если все драйверы устройств, ожидающие использования одного и того же прерывания, покажут ядру, что они могут совместно использовать это прерывание; если они этого сделать не могут, диспетчер устройств Plug and Play перестроит назначение прерываний, чтобы учесть требования по общему использованию прерываний каждого устройства. При наличии общего вектора прерывания объект прерывания вызывает функцию KiChainedDispatch, которая по очереди вызовет ISR-процедуры каждого зарегистрированного объекта прерывания, пока одна из них не заявит права на прерывание или пока все они не будут выполнены. В показанном выше примере вывода команды !idt вектор 0xa2 подключен к нескольким выстроенным в цепочку объектам прерываний.
Так сложилось, что на системе, где была запущена команда, этот вектор соответствовал встроенному карт-ридеру 7-в-1, представляющему собой комбинацию из устройств чтения флеш-карт Secure Digital (SD), Compact Flash (CF), MultiMedia Card (MMC) и карт других типов, и у каждого устройства имелось свое собственное прерывание. Поскольку они были сгруппированы производителем в одно устройство, вполне разумно было его прерываниям использовать один и тот же вектор.
Сравнение прерываний на основе использования линий и прерываний, инициируемых сообщениями.
Общие прерывания часто являются причиной высокой латентности прерываний, а также могут стать причиной нестабильной работы системы. Обычно их использование нежелательно и выражается в побочном эффекте наличия на компьютере ограниченного количества физических линий прерывания.
Например, в предыдущем примере с кард-ридером 7-в-1 намного лучше было бы, чтобы для каждого устройства было свое собственное прерывание и чтобы один драйвер управлял различными прерываниями, зная, от какого устройства пришло прерывание. Но расход четырех IRQ-линий на одно устройство быстро приводит к исчерпанию IRQ-линий. Кроме того, в любом случае каждое PCI-устройство подключается только к одной IRQ-линии, поэтому кард-ридер вообще не может использовать более одной IRQ-линии.
Еще одна проблема, связанная с генерированием прерываний по IRQ-линии, заключается в том, что неправильное управление IRQ-сигналом может привести к недопустимому пику прерываний (interrupt storms) или к возникновению других разновидностей взаимных блокировок, поскольку пока ISR-процедура не подтвердит получение сигнала, он выставляется на «высоком» или «низком» уровне. Более того, контроллер прерываний должен, как правило, получать также и сигнал завершения прерывания EOI.
Если какое-либо из этих событий из-за какого-нибудь сбоя не произойдет, система войдет в бесконечное состояние прерывания, или же следующие прерывания будут замаскированы, или же произойдет и то и другое. И наконец, прерывания на основе использования линий предоставляют плохую масштабируемость в мультипроцессорной среде. Во многих случаях оборудование принимает окончательное решение о том, работу какого процессора прервать из возможного набора, составленного из того, что отобрано для этого прерывания диспетчером устройств Plug and Play, и из того, что могут сделать небольшие драйверы устройств.
Решением всех этих проблем является новый механизм прерываний, который впервые был представлен в стандарте PCI 2.2 под именем прерываний, инициируемых сообщениями (Message-signaledinterrupts, MSI). Хотя этот механизм остается необязательным компонентом стандарта, редко встречающимся на клиентских машинах, поддержка MSI, полностью поддерживаемая всеми последними версиями Windows, все чаще реализуется на серверах и рабочих станциях. В MSI-модели устройство доставляет сообщение своему драйверу, записывая его по конкретному адресу памяти.
Это действие вызывает прерывание, а затем Windows вызывает ISR-процедуру с содержимым сообщения (значением) и адресом, по которому оно было доставлено. Устройство также может доставить по адресам памяти несколько сообщений (до 32), предоставляя на основе события различную полезную информацию.
Поскольку связь основана на значении памяти и поскольку содержимое доставляется вместе с прерыванием, надобность в IRQ-линиях отпадает (общий системный лимит MSI-прерываний делается равным количеству векторов прерываний, а не количеству IRQ-линий), отпадает также и необходимость в ведущей ISR-процедуре для запроса у устройства данных, связанных с прерыванием, что снижает задержку. В связи с доступностью в данной модели большого количества прерываний, связанных с устройствами, фактически сводится на нет вся польза от применения общих прерываний, а за счет непосредственной доставки данных прерывания заинтересованным в этом ISR-процедурам еще больше уменьшаются задержки.
И наконец, во вводимое в PCI 3.0 расширение MSI-модели MSI-X добавляется поддержка 32-разрядных сообщений (вместо 16-разрядных) с максимумом в 2048 различных сообщений (вместо всего лишь 32), и, что более важно, возможность использования другого адреса (который может определяться в динамическом режиме) для каждой полезной информации MSI. Использование другого адреса позволяет записывать полезную информацию MSI в другой физический диапазон адресов, который принадлежит другому процессору или другому набору целевых процессоров, что дает возможность эффективно использовать технологию доставки прерывания, осведомленного о доступе к неоднородной памяти (nonuniform memory access, NUMA) тому процессору, который инициировал связанный с этим прерыванием запрос к устройству. Это улучшает время ожидания и масштабируемость путем контролирования во время завершения прерывания и загруженности, и расположения ближайшего NUMA-узла.
