一種支持I/O的核外中斷執(zhí)行算法
加入技術(shù)交流群
實現(xiàn)核外中斷實際上包含三個步驟：
(1)跳到核外中斷處理程序。在IA32平臺下，由于CALL/JMP類指令有保護機制的約束，只能由外向內(nèi)跳轉(zhuǎn)，而RET和IRET指令恰好相反，只能由內(nèi)向外跳。因此，一個很常用的技術(shù)的就是采用RET或IRET指令實現(xiàn)由內(nèi)向外的“調(diào)用”。首先在堆棧上壓入需要調(diào)用的核外驅(qū)動ISR代碼的首地址CS：IP及相應堆棧的地址SS：ESP。在保護模式下，CS為用戶代碼的段選擇子，SS為用戶堆棧的段選擇子。執(zhí)行RET或IRET，硬件將從堆棧上彈出CS：IP和SS：ESP。CPU進行安全檢查之后，就可以執(zhí)行ISR。ARTs-OS使用IRET指令完成此功能。
(2)從核外驅(qū)動返回內(nèi)核。核外驅(qū)動ISR執(zhí)行完后，要返回到內(nèi)核ISR的調(diào)用處。因為IA32平臺的限制不能采用常規(guī)的返回執(zhí)行，所以應采用“堆棧執(zhí)行”的技巧。即在堆棧上壓入?yún)R編代碼，然后利用返回指令執(zhí)行該代碼，實現(xiàn)重返內(nèi)核。具體步驟：①調(diào)用驅(qū)動ISR之前，應作一定準備工作；②保存內(nèi)核的當前運行狀態(tài)；③找到核外驅(qū)動程序ISR將使用的堆棧；④在堆棧中壓入代碼，該代碼主要實現(xiàn)INT n的系統(tǒng)調(diào)用，重返內(nèi)核，該堆棧中還包括用于平衡堆棧的代碼；⑤將代碼的首地址壓入堆棧，作為返回地址；⑥建立好過程調(diào)用的“調(diào)用幀”的前半段后，用IRET指令進入該驅(qū)動程序ISR；⑦進入內(nèi)核后，根據(jù)以前保存的信息恢復到內(nèi)核以前的狀態(tài)。
當執(zhí)行到驅(qū)動程序ISR的RET語句時(該RET編譯后為一個段內(nèi)近調(diào)用，因為編譯器并不知道該函數(shù)會被系統(tǒng)“回調(diào)”，所以把它當作一個普通的函數(shù)進行編譯)，由于返回地址為堆棧上事先壓入代碼的首地址，所以執(zhí)行該代碼；在平衡堆棧后，用INT指令重返內(nèi)核。
(3)驅(qū)動程序地址空間的恢復。為了方便驅(qū)動程序ISR訪問驅(qū)動程序空間中的全局變量，應當在進入核外驅(qū)動ISR之前恢復該驅(qū)動程序的地址空間。這類似于進程切換。首先將該驅(qū)動程序強制性切換到運行態(tài)，即恢復其寄存器上下文環(huán)境等，然后執(zhí)行其中的ISR。
在這個過程中要用到描述一個用戶態(tài)中斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用C語言表示為：
typedef struct UserInterrupt_t{
ThreadId id；//表示注冊此中斷的線程id
unsigned long interruptId；//惟一表示一個中斷
InterruptFunction function；//中斷的服務(wù)函數(shù)指針
unsigned long parameter；//中斷服務(wù)程序使用的參數(shù)
struct UserInterrupt_t *next；//用來維護一個鏈表
} UserInterrupt，*UserInterruptPtr；
實現(xiàn)中斷掛接的主要系統(tǒng)調(diào)用：
SyscallError tmAttachInterrupt(unsigned char irqno，InterruptFunction function，unsigned
long parameter，unsigned long *intId)；
SyscallError tmDetachInterrupt(unsigned long intId)；
實際上，因為IA32平臺的限制，用戶態(tài)線程/進程不能直接操縱I/O。為了更好地實現(xiàn)核外驅(qū)動，中斷管理模塊還提供了一個關(guān)閉這種限制的函數(shù)：
SyscallError tmIOPL(unsigned char on)；
4 核外中斷的評價
ARTs-OS的核外硬中斷可以滿足I/O管理的要求，它具有下列優(yōu)點：
(1)實現(xiàn)簡單。ARTs-OS的核外硬中斷實現(xiàn)起來非常簡單，內(nèi)核只需額外提供幾個系統(tǒng)調(diào)用。而這些系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)方法也很簡單，且結(jié)構(gòu)清晰、所需的代碼少，完全能夠滿足ARTs-OS作為嵌入式系統(tǒng)的需要。
(2)驅(qū)動程序編寫簡單。中斷管理為核外驅(qū)動程序提供幾個系統(tǒng)調(diào)用，如：掛接中斷、刪除中斷等。驅(qū)動程序只需準備好相應的中斷處理函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用即可。驅(qū)動程序使用核外驅(qū)動和使用其他系統(tǒng)調(diào)用一樣簡單，無需特殊的操作。
(3)調(diào)試方便。通常，驅(qū)動程序在核內(nèi)運行，其中斷服務(wù)程序也在核內(nèi)運行。一般的調(diào)試工具不能調(diào)試核內(nèi)的程序，ARTs-OS則不同。因為核外中斷的中斷服務(wù)程序是核外的函數(shù)，這些函數(shù)使用的數(shù)據(jù)、函數(shù)都在核外，所以核外中斷的中斷服務(wù)程序和運行在核外的其他函數(shù)沒有本質(zhì)的區(qū)別，便于使用GDB等調(diào)試工具。
但是核外硬中斷方法也有不足之處，例如運行效率較低。因為中斷服務(wù)程序在核外運行，每當中斷到達時，為了執(zhí)行相應的中斷服務(wù)程序必須到核外，執(zhí)行完畢后又必須切換回核內(nèi)。這樣執(zhí)行每個中斷服務(wù)程序都必須來回進行上下文切換，從而導致運行速率下降。實際上，ARTs-OS針對這種來回切換的情況進行了一些優(yōu)化，切換時只需保護和恢復必須的上下文，這樣的速率延遲還是可以接受的。另外，核外中斷方法還會對系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生一定的影響，因為驅(qū)動程序能夠使用核外的驅(qū)動方式，必然導致運行在核外的驅(qū)動程序擁有一些特權(quán)。但實際上這種安全性的保障應該是驅(qū)動程序編制者的任務(wù)，即驅(qū)動程序編制者應該自己保障其中斷服務(wù)程序不破壞系統(tǒng)的安全性。
綜合考慮系統(tǒng)的擴展性、簡潔性和功能，ARTs-OS的實現(xiàn)應該是可以接受的。
評論