Важной особенностью процедур, выполняемых по запросам прерываний, является то, что они выполняют работу, чаще всего никак не связанную с текущим процессом.

Например, драйвер диска может получить управление после того, как контроллер диска записал в соответствующие сектора информацию, полученную от процесса А, но этот момент времени, не совпадет с периодом очередной итерации выполнения процесса А или его потока.

В наиболее типичном случае процесс А будет находиться в состоянии ожидания завершения операции ввода-вывода (при синхронном режиме выполнения этой операции) и драйвер диска прервет какой-либо другой процесс.

В некоторых случаях вообще трудно однозначно определить, для какого процесса выполняет работу тот или иной программный модуль ОС, например планировщик потоков. Поэтому для такого рода процедур вводятся ограничения - они не имеют права использовать ресурсы (память, открытые файлы и т.п.), с которыми работает текущий процесс.

Процедуры обработки прерываний работают с ресурсами, которые были выделены им при инициализации соответствующего драйвера или инициализации самой операционной системы. Эти ресурсы принадлежат ОС, а не конкретному процессу. Так память драйверам выделяется из системной области. Поэтому обычно говорят, что процедуры обработки прерывании работают вне контекста процесса.

Диспетчеризация прерываний является важной функцией ОС, и эта функция реализована практически во всех мультипрограммных ОС. Как правило, в ОС реализуется двухуровневый механизм планирования работ. Верхний уровень планирования выполняется диспетчером прерываний, который распределяет процессорное время между потоком поступающих запросов на прерывания различных типов - внешних, внутренних и программных. Оставшееся процессорное время распределяется другим диспетчером - диспетчером потоков, на основании дисциплин квантования и других, которые мы рассматривали.

Системные вызовы

Системный вызовпозволяет приложению обратиться к ОС с просьбой выполнить то или иное действие, оформленное как процедура (или набор процедур) кодового сегмента ОС.

Для прикладного программиста ОС выглядит как некая библиотека, реализующая полезные функции, облегчающие управление прикладной задачей или выполнение действий, запрещенных в пользовательском режиме, например обмен данными с устройством ввода-вывода.

Реализация системных вызовов должна удовлетворять следующим требованиям:

· обеспечивать переключение в привилегированный режим;

· обладать высокой скоростью вызова процедур ОС;

· обеспечивать единообразное обращение к системным вызовам для всех аппаратных платформ, на которых работают ОС;

· допускать легкое расширение набора системных вызовов;

· обеспечивать контроль со стороны ОС за корректным использованием системных вызовов

В большинстве ОС системные вызовы обслуживаются по централизованной схеме, основанной на существовании диспетчера системных вызовов.

При любом системном вызове приложение выполняет программное прерывание с определенным и единственным номером вектора.

Перед выполнением программного прерывания приложение передает ОС номер системного вызова. Способ передачи зависит от реализации. Например, номер можно поместить в определенный регистр процессора или передать через стек. Также некоторым способом передаются аргументы системного вызова, они могут помешаться как, в регистры общего назначения, так и передаваться через стек или массив, оперативной памяти.

После завершения работы системного вызова управление возвращается диспетчеру, при этом он получает также код завершения этого вызова. Диспетчер восстанавливает регистры процессора, помещает в определенный регистр код возврата и выполняет инструкцию возврата из прерывания, которая восстанавливает непривилегированный режим работы процессора.

Описанный табличный способ организации системных вызовов принят практически во всех операционных системах. Он позволяет легко модифицировать со­став системных вызовов, просто добавив в таблицу новый адрес и расширив диа­пазон допустимых номеров вызовов.

ОС может выполнять системные вызовы в синхронном или асинхронном режимах.

Синхронный системный вызов означает, что процесс, сделавший такой вызов, приостанавливается до тех пор, пока системный вызов не выполнит всю требуемую работу. После этого планировщик переводит процесс в состояние готовности.

Асинхронный системный вызов не приводит к переводу процесса в режим ожидания после выполнения некоторых начальных системных действий, например запуска операции вывода-вывода, управление возвращается прикладному процессу.

Большинство системных вызовов в ОС являются синхронными.

Вдобавок к использованию для работы Диспетчера (планировщика) NT, IRQL dispatch_level также используется для обработки Отложенных Вызовов Процедур (DPC). Вызовы DPC - обратные вызовы подпрограмм, которые будут выполнены на IRQL dispatchjevel. Вызовы DPC обычно запрашиваются с более высоких уровней IRQL, для осуществления расширенной, не критической по времени обработки.

Давайте рассмотрим пару примеров того, когда используются DPC. Драйверы устройств Windows NT выполняют очень небольшую обработку внутри своих подпрограмм обслуживания прерывания. Вместо этого, когда устройство прерывается (на уровне DIRQL) и его драйвер определяет, что требуется сложная обработка, драйвер запрашивает DPC. Запрос DPC приводит к обратному вызову определенной функции драйвера на уровне IRQL dispatch_level для выполнения оставшейся части требуемой обработки. Выполняя эту обработку на IRQL dispatch_level, драйвер проводит меньшее количество времени на уровне DIRQL, и, следовательно, уменьшает время задержки прерывания для всех других устройств в системе.

На рис. 15 изображена типовая последовательность событий.

Вначале ISR запрашивает DPC и NT помещает объект DPC в очередь целевого процессора. В зависимости от приоритета DPC и длины очереди DPC, NT генерирует программное прерывание DPC сразу же или спустя некоторое время. Когда процессор очищает очередь DPC, объект DPC покидает очередь и управление передается в его функцию DPC, завершающую обработку прерывания путем чтения данных из устройства или записи данных в устройство, сгенерировавшего прерывание.
Другое распространенное использование DPC - подпрограммы таймера. Драйвер может запросить выполнение конкретной функции для уведомления об истечении определенного периода времени (это делается путем использования функции KeSetTimer()). Программа обработки прерывания часов следит за прохождением времени, и, по истечении определенного периода времени, запрашивает DPC для подпрограммы, определенной драйвером. Использование DPC для таймерного уведомления позволяет программе обработки прерывания часов возвращаться быстро, но все же приводить к вызову указанной процедуры без чрезмерной задержки.

DPC-объекты

Вызов DPC описывается Объектом DPC. Определение Объекта DPC (KDPC) произведено в ntddk.h и показано на рис. 16.

Рис. 16. Объект DPC

Объект DPC может быть выделен драйвером из любого невыгружаемого пространства (типа невыгружаемого пула). Объекты DPC инициализируются, используя функцию KelnitializeDpc(), прототип которой:

VOID KelnitializeDpc (IN PKDPC Dpc,
IN PKDEFERRED^ROUTINE DeferredRoutine,
IN PVOID DeferredContext);

Где:
Dpc - Указатель на DPC объект, который надо инициализировать; DeferredRoutine - указатель на функцию, по которому должен быть сделан отложенный вызов на уровне IRQL DISPATCH_LEVEL. Прототип функции DeferredRoutine следующий:

VOID (*PKDEFERRED_ROUTINE)(
IN PKDPC Dpc,
IN PVOID DeferredContext,
IN PVOID SystemArgumentI,
IN PVOID SystemArgument2);

Где:
DeferredContext - значение для передачи к DeferredRoutine в качестве параметра, вместе с указателем на объект DPC и двумя дополнительными параметрами.
Запрос на выполнение конкретной подпрограммы DPC делается путем помещения объекта DPC, описывающего эту подпрограмму DPC, в Очередь DPC заданного CPU, и последующим (обычно) запросом программного прерывания уровня IRQL
dispatch_level. Имеется по одной Очереди DPC на процессор. CPU, к которому объект DPC поставлен в очередь, является обычно текущим процессором, на котором выдан запрос (на прерывание). Как выбирается процессор для конкретного DPC, обсуждается позже, в разделе "Характеристики Объекта DPC". Объект DPC ставится в очередь с помощью функцию KelnsertQueueDpc(), прототип которой:

VOID KelnsertQueueDpc (IN PKDPC Dpc,
IN PVOID SystemArgument1,
IN PVOID SystemArgument2);

Где:
Dpc - Указывает на объект DPC, который нужно поставить в очередь;
SystemArgumentl, SystemArgument2 - произвольные значения, которые нужно передать функции DeferredRoutme как 3 и 4 параметры соответственно, наряду с указателем на объект DPC и параметром DeferredContext, определенным при инициализации Объекта DPC.

Активизация и обслуживание DPC

Происхождение программного прерывания уровня Dispatch_level распознается тогда, когда это прерывание становится наивысшим по уровню IRQL событием, ожидающем обработки на этом процессоре. Таким образом, после вызова функции KelnsertQueueDpc(), обычно в следующий раз, когда процессор готов возвратиться на уровень IRQL ниже dispatch_level, вместо этого он вернется на IRQL dispatch_level и попытается обработать содержимое Очереди DPC.
Как отмечено ранее в этой главе, IRQL DISPATCHJLEVEL используется как для диспетчеризации,так и для обработки Очереди DPC. В NT 4.0, когда обработано прерывание уровня DISPATCH_LEVEL, сначала обслуживается вся очередь DPC, и затем вызывается Диспетчер для планирования выполнения следующего потока. Это разумно, потому что обработка, сделанная подпрограммой DPC, могла изменить состояние базы данных планирования потоков, например, делая работоспособным ожидающий до того поток.
Очередь DPC обслуживается Микроядром. Каждый раз, когда обслуживается Очередь DPC, обрабатываются все элементы Очереди DPC для текущего процессора. По одному за раз, Микроядро удаляет Объект DPC из начала очереди и вызывает DeferredRoutine, указанную в объекте. Микроядро передает в качестве параметров для функции DeferredRoutine указатель на Объект DPC, содержимое полей DeferredContext, SystemArgumentl и SystemArgument2 Объекта DPC.
Поскольку Очередь DPC обслуживается на IRQL dispatch_level, подпрограммы DPC вызываются на IRQL dispatch_level. Поскольку Очередь DPC обслуживается всякий раз, когда IRQL dispatch_level является самым высокоприоритетным IRQL для обслуживания (например, сразу после того, как отработала программа обработки прерывания и перед возвращением к прерванному потоку пользователя), функции DPC работают в контексте произвольного потока (arbitrary thread context). Под контекстом произвольного потока мы подразумеваем, что DPC выполняется в процессе и потоке, которые могут вообще не иметь никакого отношения к запросу, который обрабатывает DPC. (Контекст выполнения описан более подробно в разделе "Многоуровневая Модель Драйверов".)
Подпрограмма DPC завершает обработку и возвращается. По возвращении из подпрограммы DPC, Микроядро пытается выбрать другой Объект DPC из Очереди DPC и обрабатывать его. Когда очередь DPC пуста, обработка DPC заканчивается. Микроядро переходит к вызову Диспетчера (планировщика).

Многочисленные обращения к DPC

Каждый DPC описан конкретным Объектом DPC. В результате всякий раз, когда вызывается функция KelnsertQueueDpc() и выясняется, что переданный ей Объект DPC уже находится в той же самой Очереди DPC, функция KelnsertQueueDpcQ просто возвращается (не выполняя никаких действий). Таким образом, всякий раз, когда Объект DPC уже находится в Очереди DPC, любые последующие попытки постановки в очередь того же самого Объекта DPC, осуществляемые до удаления Объекта DPC из очереди, игнорируются. Это имеет смысл, так как Объект DPC может физически быть включен только в одну Очередь DPC одновременно.
Может возникнуть очевидный вопрос: Что произойдет, когда сделан запрос постановки Объекта DPC в очередь, но система уже выполняет подпрограмму DPC, указанную этим Объектом DPC (на этом же или другом процессоре)? Ответ на этот вопрос может быть найден при внимательном чтении предыдущего раздела. Когда Микроядро обслуживает Очередь DPC, оно удаляет Объект DPC из головы очереди, и только потом вызывает подпрограмму DPC, указанную Объектом DPC. Таким образом, когда подпрограмма DPC вызвана, Объект DPC уже удален из Очереди DPC процессора. Поэтому, когда сделан запрос на постановку Объекта DPG в очередь и система находится внутри подпрограммы DPC, заданной в этом Объекте DPC, DPC ставится в очередь как обычно.

DPC на многопроцессорных системах

Вопреки тому, что утверждалось в некоторых других источниках, и, как должно быть очевидно из предшествующего обсуждения, одна и та же подпрограмма DPC может выполняться на нескольких процессорах одновременно. Нет абсолютно никакого блокирования со стороны Микроядра, чтобы предотвратить это.
Рассмотрим случай драйвера устройства, который в одно и то же время имеет несколько запросов, ожидающих обработки. Устройство драйвера прерывается на Процессоре 0, выполняется программа обработки прерывания драйвера и запрашивает DPC для завершения обработки прерывания. Это стандартный путь, которому следуют драйверы в Windows NT. Когда завершается программа обработки прерывания, и система готова возвратиться к прерванному потоку пользователя, уровень IRQL процессора О понижается от DIRQL, на котором выполнялась ISR, до IRQL dispatch_level. В результате, Микроядро обслуживает Очередь DPC, удаляя Объект DPC драйвера и вызывая указанную в нем подпрограмму DPC. На Процессоре 0 теперь выполняется подпрограмма DPC драйвера.
Сразу после вызова подпрограммы DPC драйвера, устройство генерирует прерывание еще раз. Однако на этот раз, по причинам, известным только аппаратуре, прерывание обслуживается на Процессоре 1. Снова, программа обработки прерывания драйвера запрашивает DPC. И, снова, когда программа обработки прерывания закончится, система (Процессор 1) готова возвратиться к прерванному потоку пользователя. При этом IRQL процессора 1 понижается до уровня IRQL dispatch_level, и Микроядро обслуживает Очередь DPC. Делая так (и по-прежнему выполняясь на Процессоре 1), микроядро удаляет Объект DPC драйвера, и вызывает подпрограмму DPC драйвера. Подпрограмма DPC драйвера теперь выполняется на Процессоре 1. Предполагая, что подпрограмма DPC драйвера еще не завершила выполнение на Процессоре 0, заметим, что та же самая подпрограмма DPC теперь выполняется параллельно на обоих процессорах.
Этот пример подчеркивает важность использования в драйверах надлежащего набора механизмов многопроцессорной синхронизации. В особенности, в функции DPC должны использоваться спин-блокировки для сериализации доступа к любым структурам данных, к которым нужно обратиться как к единому целому, при условии, что конструкция драйвера такая, что одновременно может произойти несколько вызовов DPC.

Характеристики Объекта DPC

Объекты DPC имеют две характеристики, которые влияют на путь, которым они обрабатываются. Этими характеристиками являются поля Importance и Number.

Важность DPC (DPC Importance)

Каждый Объект DPC имеет важность, которая хранится в поле Importance Объекта DPC. Значения для этого поля перечислены в ntddk.h под именами Highlmportance, Mediumlmportance, и Lowlmportance. Это значение DPC Объекта влияет на место в Очереди DPC, куда помещается Объект DPC при постановке в очередь, а также то, будет ли иметь место прерывание уровня IRQL dispatch_level при постановке Объекта DPC в очередь. Функция KelnitializeDpc() инициализирует Объекты DPC с важностью Mediumlmportance. Значение важности объекта DPC может быть установлено, используя функцию KeSetlmportanceDpc(), прототип которой:

VOID KeSetlmportanceDpc (IN PKDPC Dpc,
В KDPCIMPORTANCE Importance);

Где:
Dpc - Указатель на объект DPC, в котором должно быть установлено поле Importance;
Importance - значение важности для установки в Объекте DPC.
Объекты DPC с Mediumlmportance или Lowlmportance помещаются в конец Очереди DPC. Объекты DPC с Highlmportance ставятся в начало Очереди DPC.
Важность Объектов DPC также влияет на то, будет ли при помещении Объекта DPC в очередь сгенерировано программное прерывание уровня dispatch_level. Когда Объект DPC с Highlmportance или Mediumlmportance ставится в очередь текущего процессора, всегда генерируется прерывание dispatchjevel. Прерывание dispatch_level генерируется для Lowlmportance DPC или для тех DPC, которые предназначены для отличного от текущего процессора, согласно сложному (и недокументированному) алгоритму планирования.
В таблице 11 перечислены ситуации, инициирующие освобождение очереди объектов DPC.
Большинству драйверов устройства никогда не понадобится устанавливать важность своих Объектов DPC. В редких случаях, когда задержка между запросом DPC и выполнением DPC чрезмерна, и разработчик драйвера не в состоянии решить устранить эту задержку другим способом, Вы можете попытаться установить DPC Объекта в Highlmportance. Однако обычно драйверы устройств в Windows NT не изменяют свое значение DPC со значения по умолчанию Mediumlmportance.

Таблица 11. Ситуации, инициирующие очистку очереди DPC

Обработка прерываний таймера

Каждый компьютер имеет аппаратный таймер или системные часы, которые генерируют аппаратное прерывание через фиксированные интервалы времени. Временной интервал между соседними прерываниями называется тиком процессора или просто тиком (CPU tick, clock tick). Как правило, системный таймер поддерживает несколько значений тиков, но в UNIX это значение обычно устанавливается равным 10 миллисекундам, хотя это значение может отличаться для различных версий операционной системы. Большинство систем хранят это значение в константе HZ, которая определена в файле заголовков Например, для тика в 10 миллисекунд значение HZ устанавливается равным 100.

Обработчик прерываний ядра вызывается аппаратным прерыванием таймера, приоритет которого обычно самый высокий. Таким образом, обработка прерывания должна занимать минимальное количество времени. В общем случае, обработчик решает следующие задачи:

1. Обновление статистики использования процессора для текущего процесса

2. Выполнение ряда функций, связанных с планированием процессов, например пересчет приоритетов и проверку истечения временного кванта для процесса

3. Проверка превышения процессорной квоты для данного процесса и отправка этому процессу сигнала SIGXCPU в случае превышения

4. Обновление системного времени (времени дня) и других связанных с ним таймеров

5. Обработка отложенных вызовов

6. Обработка алармов

7. Пробуждение в случае необходимости системных процессов, например диспетчера страниц и свопера

Часть задач не требует выполнения на каждом тике. Большинство систем вводят нотацию главного тика (major tick), который происходит каждые тиков, где зависит от конкретной версии системы. Определенный набор функций выполняется только на главных тиках. Например, производит пересчет приоритетов каждые 4 тика, a SVR4 обрабатывает и производит пробуждение системных процессов раз в секунду МакКузик М. К., Невилл-Нил Дж. В. FreeBSD: архитектура и реализация. -- М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2006. -- 800 с...

Отложенные вызовы

Отложенный вызов определяет функцию, вызов которой будет произведен ядром системы через некоторое время. Например, в SVR4 любая подсистема ядра может зарегистрировать отложенный вызов следующим образом:

int co_ID = timeout(void (*fn)(), caddr_t arg, long delta)

где fn определяет адрес функции, которую необходимо вызвать, при этом ей будет передан аргумент arg, а сам вызов будет произведен через delta тиков. Ядро производит вызов fn() в системном контексте, таким образом функция отложенного вызова не должна обращаться к адресному пространству текущего процесса (поскольку не имеет к нему отношения), а также не должна переходить в состояние сна.

Отложенные вызовы применяются для выполнения многих функций, например:

1. Выполнение ряда функций планировщика и подсистемы управления памятью.

2. Выполнение ряда функций драйверов устройств для событий, вероятность ненаступления которых относительно велика. Примером может служить модуль протокола TCP, реализующий таким образом повторную передачу сетевых пакетов по таймауту.

3. Опрос устройств, не поддерживающих прерывания.

Заметим, что функции отложенных вызовов выполняются в системном контексте, а не в контексте прерывания. Вызов этих функций выполняется не обработчиком прерывания таймера, а отдельным обработчиком отложенных вызовов, который запускается после обработки прерывания таймера. При обработке прерывания таймера система проверяет необходимость запуска тех или иных функций отложенного вызова и устанавливает соответствующий флаг для них. В свою очередь обработчик отложенных вызовов проверяет флаги и запускает необходимые в системном контексте МакКузик М. К., Невилл-Нил Дж. В. FreeBSD: архитектура и реализация. -- М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2006. -- 800 с...

Контекст процесса

Контекст процесса включает в себя содержимое адресного пространства задачи, выделенного процессу, а также содержимое относящихся к процессу аппаратных регистров и структур данных ядра. С формальной точки зрения, контекст процесса объединяет в себе пользовательский контекст, регистровый контекст и системный контекст.

Пользовательский контекст состоит из команд и данных процесса, стека задачи и содержимого совместно используемого пространства памяти в виртуальных адресах процесса. Те части виртуального адресного пространства процесса, которые периодически отсутствуют в оперативной памяти вследствие выгрузки или замещения страниц, также включаются в пользовательский контекст.

Регистровый контекст состоит из следующих компонент:

1. Счетчика команд, указывающего адрес следующей команды, которую будет выполнять центральный процессор; этот адрес является виртуальным адресом внутри пространства ядра или пространства задачи.

2. Регистра состояния процессора (PS), который указывает аппаратный статус машины по отношению к процессу. Регистр PS, например, обычно содержит подполя, которые указывают, является ли результат последних вычислений нулевым, положительным или отрицательным, переполнен ли регистр с установкой бита переноса и т. д. Операции, влияющие на установку регистра PS, выполняются для отдельного процесса, потому-то в регистре PS и содержится аппаратный статус машины по отношению к процессу. В других имеющих важное значение подполях регистра PS указывается текущий уровень прерывания процессора, а также текущий и предыдущий режимы выполнения процесса (режим ядра/задачи). По значению подполя текущего режима выполнения процесса устанавливается, может ли процесс выполнять привилегированные команды и обращаться к адресному пространству ядра.

3. Указателя вершины стека, в котором содержится адрес следующего элемента стека ядра или стека задачи, в соответствии с режимом выполнения процесса. В зависимости от архитектуры машины указатель вершины стека показывает на следующий свободный элемент стека или на последний используемый элемент. От архитектуры машины также зависит направление увеличения стека (к старшим или младшим адресам), но для нас сейчас эти вопросы несущественны.

4. Регистров общего назначения, в которых содержится информация, сгенерированная процессом во время его выполнения.

Системный контекст процесса имеет «статическую часть» (первые три элемента в нижеследующем списке) и «динамическую часть» (последние два элемента). На протяжении всего времени выполнения процесс постоянно располагает одной статической частью системного контекста, но может иметь переменное число динамических частей. Динамическую часть системного контекста можно представить в виде стека, элементами которого являются контекстные уровни, которые помещаются в стек ядром или выталкиваются из стека при наступлении различных событий. Системный контекст включает в себя следующие компоненты:

1. Запись в таблице процессов, описывающая состояние процесса (раздел 6.1) и содержащая различную управляющую информацию, к которой ядро всегда может обратиться.

2. Часть адресного пространства задачи, выделенная процессу, где хранится управляющая информация о процессе, доступная только в контексте процесса. Общие управляющие параметры, такие как приоритет процесса, хранятся в таблице процессов, поскольку обращение к ним должно производиться за пределами контекста процесса.

3. Записи частной таблицы областей процесса, общие таблицы областей и таблицы страниц, необходимые для преобразования виртуальных адресов в физические, в связи с чем в них описываются области команд, данных, стека и другие области, принадлежащие процессу. Если несколько процессов совместно используют общие области, эти области входят составной частью в контекст каждого процесса, поскольку каждый процесс работает с этими областями независимо от других процессов. В задачи управления памятью входит идентификация участков виртуального адресного пространства процесса, не являющихся резидентными в памяти.

4. Стек ядра, в котором хранятся записи процедур ядра, если процесс выполняется в режиме ядра. Несмотря на то, что все процессы пользуются одними и теми же программами ядра, каждый из них имеет свою собственную копию стека ядра для хранения индивидуальных обращений к функциям ядра. Пусть, например, один процесс вызывает функцию creat и приостанавливается в ожидании назначения нового индекса, а другой процесс вызывает функцию read и приостанавливается в ожидании завершения передачи данных с диска в память. Оба процесса обращаются к функциям ядра и у каждого из них имеется в наличии отдельный стек, в котором хранится последовательность выполненных обращений. Ядро должно иметь возможность восстанавливать содержимое стека ядра и положение указателя вершины стека для того, чтобы возобновлять выполнение процесса в режиме ядра. В различных системах стек ядра часто располагается в пространстве процесса, однако этот стек является логически-независимым и, таким образом, может помещаться в самостоятельной области памяти. Когда процесс выполняется в режиме задачи, соответствующий ему стек ядра пуст.

5. Динамическая часть системного контекста процесса, состоящая из нескольких уровней и имеющая вид стека, который освобождается от элементов в порядке, обратном порядку их поступления. На каждом уровне системного контекста содержится информация, необходимая для восстановления предыдущего уровня и включающая в себя регистровый контекст предыдущего уровня.

Ядро помещает контекстный уровень в стек при возникновении прерывания, при обращении к системной функции или при переключении контекста процесса. Контекстный уровень выталкивается из стека после завершения обработки прерывания, при возврате процесса в режим задачи после выполнения системной функции, или при переключении контекста. Таким образом, переключение контекста влечет за собой как помещение контекстного уровня в стек, так и извлечение уровня из стека: ядро помещает в стек контекстный уровень старого процесса, а извлекает из стека контекстный уровень нового процесса. Информация, необходимая для восстановления текущего контекстного уровня, хранится в записи таблицы процессов Робачевский А. М. Операционная система UNIX. -- СПб.: БХВ- Петербург, 2002. -- 528 с. .

В то время, когда выполняется программный код режима ядра, приоритет которого имеет наибольшее значение, никакой другой код на данном процессоре стартовать не может. Разумеется, если слишком большие объемы программного кода будут выполняться при слишком высоких значениях IRQL, то это неминуемо приведет к общей деградации системы.

Для разрешения такого типа проблем, программный код, предназначенный для работы в режиме ядра, должен быть сконструирован таким образом, чтобы избегать продолжительной работы при повышенных уровнях IRQL. Одним из самых важных компонентов этой стратегии являются Deferred Procedure Calls (DPC) — отложенные процедурные вызовы.

Функционирование DPC

Схема применения отложенных процедурных вызовов позволяет построить процесс выполнения таким образом, что задача может быть запланирована кодом, работающим на высоком уровне IRQL, но она еще не выполняется . Такая отсрочка выполнения применима, если производится обслуживание прерывания в драйвере, и при этом нет никаких причин блокировать выполнение другого программного кода более низкого уровня IRQL. Иными словами — когда обработка данной ситуации может быть безболезненно перенесена на более позднее время.

Для учета заявок на вызов DPC процедур операционная система поддерживает очередь объектов DPC.

Для начала, ограничимся рассмотрением более простого случая работы с DPC процедурами, предназначенными для использования совместно с процедурами обработки прерываний. Данный тип DPC процедур получил в литературе специальное название DpcForIsr.

Объект DPC для использования в процедурах обработки прерываний создается по вызову IoInitializeDpcRequest , выполняемому обычно в стартовых процедурах драйвера. Данный вызов регистрирует предлагаемую драйвером DpcForIsr процедуру и ассоциирует ее с создаваемым объектом — достаточно распространенная методика в Windows. Следует особо отметить, что DPC объект, созданный данным вызовом так и останется в недрах операционной системы, недоступным разработчику драйвера. (Отличие DpcForIsr от других DPC процедур состоит только в том, что работа с последними проходит при помощи вызовов Ke...Dpc , а создаваемые для них DPC объекты доступны разработчику драйвера.)

Если драйвер зарегистрировал свою процедуру DpcForIsr, то во время обработки прерывания ISR процедурой в системную очередь DPC может быть помещен соответствующий DPC объект (фактически, запрос на вызов этой DpcForIsr процедуры позже) — при помощи вызова IoRequestDpc . Процедура DpcForIsr и завершит позже обработку полученного ISR процедурой запроса, что будет выполнено в менее критичных условиях и при низком уровне IRQL.

В общих чертах, функционирование DPC процедур (в данном случае, DpcForIsr) складывается из следующих операций:

• Когда некоторый фрагмент программного кода, работающий на высоком (аппаратном) уровне IRQL желает запланировать выполнение части своей работы так, чтобы она была выполнена при низком значении IRQL, то он добавляет DPC объект в системную очередь отложенных процедурных вызовов.
• Рано или поздно, значение IRQL процессора падает ниже DISPATCH_LEVEL, и работа, которая была отложена прерыванием, обслуживается DPC функцией. Диспетчер DPC извлекает каждый DPC объект из очереди и вызывает соответствующую функцию, указатель на которую хранится в этом объекте. Вызов этой функции выполняется в то время, когда процессор работает на уровне DISPATCH_LEVEL.

Особенности механизма DPC

Как правило, работа с отложенными процедурными вызовами не является сложной, поскольку операционные системы Windows 2000/XP/Server 2003 предлагают большой набор системных вызовов, скрывающих большую часть деталей этого процесса. Тем не менее, особо следует выделить два наиболее обманчивых момента в работе с DPC.

Во-первых, Windows NT 5 устанавливает ограничение, состоящее в том, что один экземпляр DPC объекта может быть помещен в системную DPC очередь в определенный временной промежуток. Попытки поместить в очередь DPC объект, в точности совпадающий с уже там присутствующим, отвергаются. В результате, происходит только один вызов DPC процедуры, даже если драйвер ожидает выполнение двух вызовов. Это может произойти, если два прерывания были вызваны обслуживаемым устройством, а обработка первого отложенного процедурного вызова еще не начиналась. Первый экземпляр DPC объекта еще пребывает в очереди, в то время как драйвер уже приступил к обработке второго прерывания.

Конструкция драйвера должна предусматривать такой ход работы DPC механизма. Возможно, следует предусмотреть дополнительно счетчик DPC запросов, либо драйвер может реализовать собственную реализацию очереди запросов. В момент выполнения реальной отложенной процедуры можно проверять счетчик и собственную очередь запросов для того, чтобы определить, какую конкретно работу следует выполнять.

Во-вторых, существуют значительные синхронизационные проблемы при работе на многопроцессорных платформах. Предположим, программный код, выполняемый на одном процессоре, выполняет обслуживание прерывания и планирует вызов DPC процедуры (размещая DPC объект в системной очереди). Тем не менее, еще до момента полного завершения обработки прерывания, другой процессор может начать обработку DPC объекта, помещенного в системную очередь. Таким образом, возникает ситуация, в которой программный код обслуживания прерываний выполняется параллельно и одновременно с кодом DPC процедуры. По этой причине необходимо предусмотреть меры по надежной синхронизации доступа программного кода DPC процедуры к ресурсам, используемым совместно с драйверной процедурой обслуживания прерывания.

Если присмотреться к списку параметров вызовов IoInitializeDpcRequest и IoRequestDpc (предназначенных для работы с DpcForIsr процедурами), то нетрудно заметить, что DPC объект "привязан" к объекту устройства. При размещении этого объекта в DPC очереди в момент работы ISR процедуры также указывается объект устройства. Этим и достигается определенность, вызов какой конкретно DPC процедуры "заказан" ISR процедурой (соотнесение по объекту устройства). Это же говорит о том, что драйвер, который создал несколько объектов устройств (достаточно редкий случай), может эксплуатировать и несколько процедур DpcForIsr — по одной для каждого объекта устройства.

Системный DPC механизм предотвращает возможность одновременной обработки DPC объектов из системной очереди, даже в условиях многопроцессорной конфигурации. Таким образом, если ресурсы используются совместно несколькими отложенными процедурами, то нет необходимости заботиться о синхронизации доступа к ним.

Для размещения в системной DPC очереди объектов, соответствующих второму типу DPC процедур (не связанных с прерываниями), следует использовать вызов KeInsertQueueDpc . Соответственно, код-инициатор вызова должен работать на уровне IRQL не ниже DISPATCH_LEVEL.

Для очистки системной DPC очереди от Custom DPC процедур, например, если драйвер должен срочно завершить работу, предназначен вызов KeRemoveQueueDpc , который может быть вызван из кода любого уровня IRQL.

Процессор перегружен? Виноваты системные прерывания.

Виной тому, что процессор перегружен практически в течение всего сеанса, могут быть так называемые системные прерывания, а это, в свою очередь, означает, что проблема кроется в области установленного на компьютере оборудования или драйверах для этих устройств. Но предупреждаю сразу: даже объёма всей этой статьи не хватит, чтобы вычленить все причины (и тем более варианты их решений) почему системные прерывания просто убивают Windows. Ибо подход к поиску проблем усложняется использованием куда более сложного инструмента, чем тот, что описывается здесь.

Что такое системные прерывания и как попробовать справиться с перегрузкой процессора?

Системные прерывания появляются в Диспетчере задач в качестве системного процесса, однако по сути они таковым не являются. Эта « » носит лишь репрезентативный характер, отображая загруженность процессора при работе с прерываниями на низком уровне. Она – неотъемлемая часть Windows, убить процесс нельзя. Несмотря на зловещее название, системные прерывания – обязательная и нормальная часть процесса взаимодействия ЦПУ и остального оборудования.

Причиной прерываний (точнее, слишком медленной время от времени работы) могут служить девайсы внутри вашего компьютера, установленные программы, а иногда и сам процессор. Ведь системные прерывания – есть некая форма взаимодействия между программой/«железом» и самим процессором. Всякий раз, когда новому процессу нужно появиться в системе, процессор бросает все дела и выполняет задачу. Неважно, нажал ли пользователь мышку или процесс запущен по расписанию, задача сразу добавляется в очередь на исполнение. По её выполнению процессор возвращается к предыдущему состоянию.

Как понимаете, системные прерывания вполне могут сигнализировать системе и пользователю, что в данный момент некоторые вычисления идут с ошибкой, что и выражается в серьёзных потреблениях ресурсов процессора этим «процессом». В здоровой системе системные прерывания «потребляют» НЕ БОЛЕЕ 2% от общего объёма работы процессора. Хотя мне встречались и процессоры с показателем прерывания от 3 до 10 %% – всё зависит от конфигурации. Но если вы заметили, что процессор тратит на прерывания хотя бы 5 – 10 %% от своей вычислительной мощности от сеанса к сеансу, это сигнал того, что у компьютера проблемы.

Системные прерывания. Как бороться с высокими показаниями?

Каждый из следующих шагов потребует перезагрузки системы. Не потому что так принято, а потому проблемы с прерываниями решаются часто простым перезапуском Windows.

• ДРАЙВЕРЫ И ЕЩЁ РАЗ ДРАЙВЕРЫ

Самое первое средство, которое поможет определить, виноваты ли битые драйверы в том, что системные прерывания нагружают процессор, это немецкая утилита DPC Latency Checker . Скачайте её по этой ссылке:

Установки не потребуется. Суть утилиты проста. Запускаем и начинаем работу в Windows до тех пор, пока системные прерывания не начнут нам мешать. Вот окно нормально работающей сборки:

А вот они начинают себя проявлять:

Утилита в поле комментария на английском языке советует вам перейти в Диспетчер устройств и приступить к поэтапному отключению сетевых устройств, звуковых карт, USB контроллеров, устройств bluetooth . Советую прислушаться. После каждого отключения всматривайтесь в Диспетчер задач и окно утилиты, посмотрите, как система реагирует на временное отключение оборудования. Продолжите отключением всех внешних устройств: модемы, внешние диски, флешки. И если в какой-то момент наметятся изменения к лучшему, примите решение об обновлении драйвера к устройству. Но чтобы не было проблем с запуском Windows, вот эти устройства лучше не отключать (эти драйверы жизненно необходимы, но это тоже драйверы, и вполне возможно придётся переустановить дрова на материнскую всем пакетом как при установке Windows начисто):

На такой же манер действует и программа LatencyMon

Она потребует установки, зато также бесплатна. Её задача – поиск файлов драйверов с высоким показателем вычислений, потраченных на отложенный вызов процедуры (процесса, который вызывается процедурой обработки прерывания в ответ на само прерывание, но необязательно сразу же исполняется). За этим мудрёным названием скрывается процесс поиска драйверов, в файлах которых хранится информация о том, что драйвер слишком много требует от процессора для обслуживания своего, приписанного конкретно ему устройства. Вот страница издателей:

на которой, впрочем, я своими слепыми глазами ссылки для скачивания не нашёл, а потому представлю вам возможность скачать программу с моего сайта

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО ПРОГРАММУ

Запустившись, та сразу сообщила мне о возможных проблемах с DVD приводом – драйвер atapi.sys отвечает именно за него (а кстати, привод не работает уже почти 3 месяца…) . Предупреждает, что возможно потребуется перепрошить BIOS:

Переходим во вкладку Drivers и отсортируем их по наиболее уязвимым показаниям, нажав на колонку DPC count :

К первым в строчке присмотритесь: они и могут быть причиной ваших проблем.

• ВСЁ ПРОИЗОШЛО КАК-ТО ВДРУГ, ПОСЛЕ ПЕРЕЗАГРУЗКИ

Был один момент, когда ну никак не удавалось вычленить причину тормозов. Помог случай: пользователь “хапнул” вирус, который совершенно уничтожил DirectX, причём действовал крайне избирательно, убивая именно системные файлы Windows, оставляя DirectX игровые . Пришлось ремонтировать систему обновлением, и – о чудо! – вместе с дрянью пропали и системные прерывания. Я не пожалел немного времени, но результат оказался неожиданный. Виновниками оказались не вирусы и не драйверы, а пакеты обновлений. Вот их имена:

• KB3199986
• KB4013418
• KB3211320

Я настаиваю, что именно ПОСЛЕ УСТАНОВКИ ИМЕННО ЭТИХ ОБНОВЛЕНИЙ конкретный пользователь начинал мучиться от перегрузки системными прерываниями. Как-то так… вам информация к размышлению.

• ИСКЛЮЧАЕМ НЕИСПРАВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Тоже может послужить причиной того, что системные прерывания нагружают процессор донельзя. Приступайте к проверке, если предыдущий поиск битых драйверов успеха не принёс. А поможет вам в поиске проблем с “железом” сама Windows и встроенные утилиты самодиагностики. О них я писал уже в статье . Пробегите глазами, информация окажется полезной, не сомневайтесь. Знайте – отошедшие от разъёма шлейфа также могут быть виновниками злоключений. Я лично сталкивался с проблемами и перегрева процессора, и “забывчивости” про-апгрейдить BIOS для новенькой Windows 10 (об этом ниже) – везде итогом были заметные системные прерывания.

ПРИМЕЧАНИЕ . Если системные прерывания одолели ваш ноутбук, вам придётся убедиться, что у вас нет проблем с умирающим аккумулятором. Прочтите статью, собственными силами.

• ПРОВЕРЬТЕ ЗВУКОВУЮ СХЕМУ WINDOWS

Собственно, речь идёт о том, чтобы сбросить звуковые эффекты в Windows до установленных по умолчанию. Щёлкните по иконке звука правой мышкой и нажмите на Устройства воспроизведения :

Во вкладке Воспроизведение щёлкните два раза по пункту дефолтных устройств (у меня Динамики ), пройдите во вкладку Дополнительные возможности и установите галочку напротив Отключить все эффекты . Применить – ОК. Перезагружаемся и проверяем:

• ВИНОВАТА BIOS ?

Не исключено. BIOS – первая программа, которая запускается после нажатия на кнопку включения компьютера. Так что время проверить обновления для вашей BIOS. А чтобы поиски нужной версии не затягивались во времени, проверьте версию вашей BIOS прямо сейчас. В консоли команд cmd наберите последовательно две команды:

Systeminfo | findstr /I /c:bios wmic bios get manufacturer, smbiosbiosversion

I в первой команде – это большая латинская i .

Причина в жёстком диске?

“Вполне себе и даже очень”. Самый простой способ – проверьте диск на ошибки с помощью встроенных средств типа chkdsk . Если после “прогона” системные прерывания поутихли, причина обнаружена. Однако в случае, когда проблема появляется вновь и вновь, при всём том chkdsk неизменно обнаруживает ошибки, у вас проблемы (с жёстким, БП или материнской платой) – готовьтесь к худшему.

P.S. Ну, судя по отзывам проблема народ теребит. Обещаю тему развить в следующих статьях.

Успехов вам.

Прочитано: 1 238