Базовые понятия ОС Windows

Прерывания, исключения, системные вызовы

В любой операционной системе существует набор базовых концепций и базовых механизмов, ставших неотъемлемой частью теории и практики ОС. Например, в "Создание ОС Windows. Структура ОС Windows" были приведены краткие описания процессов и потоков. Ниже будет подробно рассмотрена реализация ряда других важных концепций современных ОС.

Из теории ОС известно [ Карпов ] , [ Таненбаум ] , [ Столлингс ] , что современные ОС реализуют поддержку системных вызовов, обработку прерываний и исключительных ситуаций, которые относят к основным механизмам ОС.

Системные вызовы (system calls) - механизм, позволяющий пользовательским программам обращаться к услугам ядра ОС, то есть это интерфейс между операционной системой и пользовательской программой. Концептуально системный вызов похож на обычный вызов подпрограммы. Основное отличие состоит в том, что при системном вызове выполнение программы осуществляется в привилегированном режиме или режиме ядра. Поэтому системные вызовы иногда еще называют программными прерываниями, в отличие от аппаратных прерываний, которые чаще называют просто прерываниями. В большинстве операционных систем системный вызов является результатом выполнения команды программного прерывания ( INT ). Таким образом, системный вызов - это синхронное событие.

Прерывание (hardware interrupt) - это событие, генерируемое внешним (по отношению к процессору) устройством. Посредством аппаратных прерываний аппаратура либо информирует центральный процессор о том, что произошло событие, требующее немедленной реакции (например, пользователь нажал клавишу), либо сообщает о завершении операции ввода вывода (например, закончено чтение данных с диска в основную память). Каждый тип аппаратных прерываний имеет собственный номер, однозначно определяющий источник прерывания. Аппаратное прерывание - это асинхронное событие, то есть оно возникает вне зависимости от того, какой код исполняется процессором в данный момент. Обработка аппаратного прерывания не должна учитывать, какой процесс или поток является текущим.

Исключительная ситуация (exception) - событие, возникающее в результате попытки выполнения программой команды, которая по каким-то причинам не может быть выполнена до конца. Примерами таких команд могут быть попытки доступа к ресурсу при отсутствии достаточных привилегий или обращение к отсутствующей странице памяти. Исключительные ситуации, как и системные вызовы, являются синхронными событиями, возникающими в контексте текущей задачи. Исключительные ситуации можно разделить на исправимые и неисправимые. К исправимым относятся такие исключительные ситуации, как отсутствие нужной информации в оперативной памяти. После устранения причины исправимой исключительной ситуации программа может выполняться дальше. Возникновение в процессе работы операционной системы исправимых исключительных ситуаций считается нормальным явлением. Неисправимые исключительные ситуации чаще всего возникают в результате ошибок в программах (например, деление на ноль). Обычно в таких случаях операционная система реагирует завершением программы, вызвавшей исключительную ситуацию.

Применяя структурную обработку исключений, упомянутую в предыдущей лекции, можно попытаться "исправить" неисправимую исключительную ситуацию, вернув управление программе, которая сгенерировала эту ситуацию.

Прогон программы реализующей структурную обработку исключений

В качестве упражнения рекомендуется выполнить прогон программы, в которой произведена обработка деления на 0. Особенности применения операторов try и except описаны в MSDN.

#include <stdio.h>

void main() {

int i = 1, j = 0, k = 0;
__try {
   k = i / j;
   puts("in try");
   printf("k=%d\n",k);
}
__except (1) {
   puts("in except");
   printf("k=%d\n",k);
}
}

Реализация прерываний, системных вызовов и исключений в ОС Windows

Рассмотрим реализацию основных механизмов операционной системы в ОС Windows. Следует отметить, что терминология корпорации Microsoft несколько отличается от общепринятой. Например, системные вызовы называются системными сервисами, а под программным прерыванием (см. прерывания DPC и APC) понимается выполнение специфичных функций ядра, требующих прерывания работы текущего процесса.

Ловушки

Общим для реализации рассматриваемых основных механизмов является необходимость сохранения состояния текущего потока с его последующим восстановлением. Для этого в ОС Windows используется механизм ловушек (trap). В случае возникновения требующего обработки события (прерывания, исключения или вызова системного сервиса) процессор переходит в привилегированный режим и передает управление обработчику ловушек, входящему в состав ядра. Обработчик ловушек создает в стеке ядра (о стеке ядра см. "Реализация процессов и потоков" ) прерываемого потока фрейм ловушки, содержащий часть контекста потока для последующего восстановления его состояния, и в свою очередь передает управление определенной части ОС, отвечающей за первичную обработку произошедшего события.

В типичном случае сохраняются и впоследствии восстанавливаются:

• программный счетчик;
• регистр состояния процессора;
• содержимое остальных регистров процессора;
• указатели на стек ядра и пользовательский стек;
• указатели на адресное пространство, в котором выполняется поток (каталог таблиц страниц процесса).

Эта информация специфицирована в структуре CONTEXT (файл winnt.h), и может быть получена пользователем с помощью функции GetThreadContext.

Адрес части ядра ОС, ответственной за обработку данного конкретного события определяется из вектора прерываний, который номеру события ставит в соответствие адрес процедуры его первичной обработки. Это оказывается возможным, поскольку все события типизированы и их число ограничено. Для асинхронных событий их номер определяется контроллером прерываний, а для синхронных - ядром. В [ Руссинович ] описана процедура просмотра вектора прерываний, который в терминологии корпорации Microsoft называется таблицей диспетчеризации прерываний (interrupt dispatch table, IDT), при помощи отладчика kd. Например, для x86 процессора прерыванию от клавиатуры соответствует номер 0x52, системным сервисам - 0x2e, а исключительной ситуации, связанной со страничной ошибкой, - 0xE (см. рис. 3.1рс. 3.1).

Рис. 3.1. Вектор прерываний (IDT)

После прохождения первичной обработки для каждого события предусмотрена процедура его последующей обработки другими частями ОС. Например, обработка системного сервиса (системного вызова) предполагает передачу управления по адресу 0x2e, где располагается диспетчер системных сервисов, которому через регистры EAX и EBX передаются номер запрошенного сервиса и список параметров, передаваемых этому системному сервису.

То же самое происходит в случае возникновения исключений и прерываний. Простые исключения могут быть обработаны диспетчером ловушек, а более сложные обрабатываются диспетчером исключений, который может в случае возникновения исключения вернуть управление вызвавшему это исключение приложению. Это делается с помощью упомянутого выше аппарата структурной обработки исключений. Вторичная обработка прерывания обеспечивается драйверами соответствующих устройств.

В качестве примера рассмотрим процедуру обработки создания файла. Вызов Win32 функции CreateFile() генерирует передачу управления функции NtCreateFile исполнительной системы, ассемблерный код которой содержит следующие операции:

mov еах, Ox17   номер системного сервиса для NtCreateFile
mov ebx, esp    
int Ox2E        обработка системного сервиса
ret Ox2C        возврат управления

Рисунок 3.2 иллюстрирует дальнейшую обработку данного сервиса.

Рис. 3.2. Пример обработки системного вызова (системного сервиса).

Приоритеты. IRQL

В большинстве операционных систем аппаратные прерывания имеют приоритеты, которые определяются контроллерами прерываний. Однако ОС Windows имеет свою аппаратно-независимую шкалу приоритетов, которые называются уровни запросов прерываний (interrupt request levels, IRQL), и охватывает не только прерывания, а все события, требующие системной обработки. В таблице 3.1 приведены значения IRQL уровней для x86 систем.

Обрабатываемые события обслуживаются в порядке их приоритета, и события с более высоким приоритетом вытесняют обработку событий с меньшим приоритетом. При возникновении события с высоким приоритетом IRQL процессора повышается до уровня данного события. После его обработки могут проявить себя замаскированные менее приоритетные события, которые, в свою очередь, могут быть обработаны по обычной схеме. Текущий уровень приоритета хранится в данных, описывающих состояние процессора, и может быть определен системным отладчиком kd или посредством вызова функции KeGetCurrentIrql.

Значения IRQL для аппаратных прерываний расставляются диспетчером Plug and Play с помощью уровня абстрагирования от оборудования HAL, а для остальных событий - ядром. Таким образом, уровень IRQL определяется источником события, что имеет иной смысл, нежели приоритеты в стратегии планирования потоков. Разбиение на IRQL уровни является основным механизмом упорядочивания по приоритетам действий операционной системы.

Можно сказать, что в ОС Windows действует двухуровневая схема планирования. Приоритеты высшего уровня (в данном случае IRQLs) определяются аппаратными или программными прерываниями, а приоритеты низшего уровня (в своем диапазоне от 0 до 31) устанавливаются для пользовательских потоков, выполняемых на нулевом уровне IRQL, и контролируются планировщиком.

На нулевом (PASSIVE LEVEL) уровне IRQL работают пользовательские процессы и часть кода операционной системы. Программа, работающая на этом уровне, может быть вытеснена почти любым событием, случившимся в системе. Большинство процедур режима ядра старается удерживать IRQL уровень процессора как можно более низким.

IRQL уровни 1 (APC LEVEL) и 2 (DISPATCH LEVEL) предназначены для так называемых программных (в терминологии Microsoft) прерываний соответственно: асинхронный вызов процедуры - APC (asynchronous procedure call) и отложенный вызов процедуры - DPC (deferred procedure call). Если ядро принимает решение выполнить некоторую системную процедуру, но нет необходимости делать это немедленно, оно ставит ее в очередь DPC и генерирует DPC прерывание. Когда IRQL процессора станет достаточно низким, эта процедура выполняется. Характерный пример - отложенная операция планирования. Из этого следует, что код, выполняемый на IRQL уровне, выше или равном 2, не подвержен операции планирования. Асинхронный вызов процедур - механизм, аналогичный механизму DPC, но более общего назначения, в частности, доступный пользовательским процессам.

IRQL уровни 3-26 относятся к обычным прерываниям от устройств. Более подробное описание IRQL уровней имеется в [ Руссинович ] .

Заключение

В настоящей лекции описаны прерывания, системные вызовы и исключительные ситуации, которые являются фундаментальными механизмами операционных систем, и проанализированы особенности их реализации в ОС Windows. Обработка всех типов событий осуществляется единым образом и связана с сохранением/восстановлением состояния и эффективным поиском программы обработчика по системным таблицам. Важную роль для правильной организации имеет иерархия событий, реализованная в виде набора IRQL приоритетов.