Betriebssysteme. Interruptverarbeitung in Betriebssystemen. Sommersemester 2014 Prof. Dr. Peter Mandl. Prof. Dr. Peter Mandl Seite 1.

Transkript

1 Interruptverarbeitung in n Sommersemester 2014 Prof. Dr. Peter Mandl Prof. Dr. Peter Mandl Seite 1

2 Gesamtüberblick 1. Einführung in 2. Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten 3. Interruptverarbeitung in n 4. Prozesse und Threads 5. CPU-Scheduling 6. Synchronisation und Kommunikation 7. Speicherverwaltung 8. Geräte- und Dateiverwaltung 9. Betriebssystemvirtualisierung Interruptklassen Asynchrone Interrupts (nicht vorhersehbar und auch nicht reproduzierbar) Synchrone Interrupts (vorhersehbar und auch reproduzierbar) Exceptions Systemcalls (Software-Interrupts) Faults Unterbrechung vor der Ausführung, z.b. Page Fault = Seitenfehler Traps Unterbrechung nach der Ausführung, z.b. Division durch 0 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 2

3 Zielsetzung Konzepte und Abläufe der Interruptverarbeitung in n kennenlernen und verstehen Unterscheidung der verschiedenen Interrupt- Klassen vornehmen können Ablauf eines asynchronen Interrupts erläutern können Ablauf eines (synchronen) Systemcalls erläutern können Prof. Dr. Peter Mandl Seite 3

4 Überblick 1. Begriffe und Klassifizierung 2. Zusammenspiel der Komponenten 3. Systemdienste und Systemcalls Prof. Dr. Peter Mandl Seite 4

5 Polling Polling => Busy Waiting (aktives Warten) while() { Gerät 1 Ready-Bit for (alle Geräte) { } if (Gerät[i].Ready-Bit == 1 ) { } doaction(); CPU Gerät 2 Ready-Bit } Ready-Bit = 1 bedeutet, Gerät ist bereit, es sind z.b. Daten abzuholen Gerät n Ready-Bit Prof. Dr. Peter Mandl Seite 5

6 Interrupt Interrupt = Unterbrechung = Trap Abgrenzung zu Polling - Kein aktives Abfragen von Ereignisquellen Gründe für Interrupts: - Betriebssystembedingungen - Asynchrone Ereignisse Verursacher: Hardware oder Software Abschaltung (Maskierung) von Interrupts ist möglich, sollte aber für sehr kurze Zeit sein Manchmal unbedingt erforderlich (siehe später Interrupt Service Routinen) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 6

7 Synchron und asynchron Synchrone Interrupts: Von der CPU ausgelöste Ausnahmen (für das laufende Programm gedacht) - Division durch 0 - Speicherzugriffsverletzung Asynchrone Interrupts: Treten unabhängig davon auf, was das System gerade ausführt - Netzwerkadapter meldet ankommende Nachricht - Plattenspeicher meldet Zustellung eines Blocks Prof. Dr. Peter Mandl Seite 7

8 Interrupt-Klassifizierung Interruptklassen Asynchrone Interrupts (nicht vorhersehbar und auch nicht reproduzierbar) Synchrone Interrupts (vorhersehbar und auch reproduzierbar) Exceptions Systemcalls (auch als Traps oder Software- Interrupts bezeichnet) Faults Unterbrechung vor der Ausführung, z.b. Page Fault = Seitenfehler Traps Unterbrechung nach der Ausführung, z.b. Division durch 0 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 8

9 Überblick 1. Begriffe und Klassifizierung 2. Zusammenspiel der Komponenten 3. Systemdienste und Systemcalls Prof. Dr. Peter Mandl Seite 9

10 Interrupt-Bearbeitung: Zusammenspiel Interrupts führen dazu, dass Code außerhalb des normalen Programmflusses ausgeführt wird Steuerung wird an eine definierte Position im Kernel übergeben Interrupt-Service- Routine (ISR) CPU 2: Interrupt 3: CPU-Handling Interrupt Controller 1: Gerät ist fertig Festplatte Clock Tastatur Drucker Bus Prof. Dr. Peter Mandl Seite 10

11 Interrupt-Bearbeitung: Befehlszyklus Prüfung, ob Interrupt anliegt, ist Teil des Befehlszyklus Prüfung am Ende eines Maschinenbefehls Fetch (Befehl aus Speicher holen) Execute (Befehl ausführen) Prüfung, ob Interrupt vorliegt nein IRQ ja Programmzähler auf Startadresse der ISR setzen Bei Multiprozessoren bzw. Mehrkernprozessoren: Dispatching eines Prozessors/Kerns notwendig, um anstehenden Interrupt zu bearbeiten Prof. Dr. Peter Mandl Seite 11

12 Interrupt-Vektor-Tabelle und Adressierung Interrupt Request (IRQ) wird vom Gerät gesendet und identifiziert das Gerät Abbildung IRQ Int-Nr durch Hardware in einem Interrupt Controller Int-Nr ist der Index für die Interrupt-Vektor-Tabelle (IVT) Die IVT wird über die CPU adressiert IVT-Aufbau durch Prozessor vorgegeben: Bei Intel 256 IVT-Einträge für Exceptions, Systemcalls (Traps) und Geräteinterrupts IRQ Int-Nr IVT Interruptvektor Interruptvektor SVR 0 SVR 1 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 12

13 Interrupt-Service-Routine (ISR) Usermodus Anwendungsprogramm 1: Interrupt Interrupt Controller 2: Kernelmodus n Verteiler (Interrupt-Bearbeitung) 3: Interrupt-Vektor- Tabelle ISR1 ISR2 ISR3 ISRn 5: 4: Ack - E/A-Geräte benachrichtigen die CPU, wenn sie einen Dienst benötigen - Dadurch kann die CPU maximal ausgenutzt werden, da sie parallel zur Ein-/Ausgabe etwas anderes machen kann Adressraum ISR = Interrupt Service Routine Prof. Dr. Peter Mandl Seite 13

14 Interrupt-Bearbeitung: Ablauf Beliebiges Programm ISR Normale Programmbearbeitung Zeitpunkt des Interrupt Laufender Maschinenbefehl wird noch zu Ende geführt. Registersatz wird auf den Stack gerettet. Normale Programmbearbeitung fortsetzen Adressierung über Interrupt- Vektortabelle Rückkehr Niedriger priorisierte Interrupts werden deaktiviert.... Alten Zustand wiederherstellen (Register,...). Prof. Dr. Peter Mandl Seite 14

15 Beispiel: Intel 8259A-Controller Intel 8259A PIC = Programmable Controller = Multiplexer für Hardware-Interrupts - Ein integrierter Schaltkreis zur Verwaltung mehrerer Hardware- Interrupts - Aufgabe: Überwacht Interrupt-Leitungen (IRQ), speichert sie und gibt sie an die CPUs weiter - 8 Interrupt-Eingänge: Eingang 0 hat höchste Priorität - Seit IBM PC XT eingesetzt - Oft wurden zwei PICs in einem PC genutzt Neuere Versionen - APIC = Advanced PIC mit 256 Interrupt-Eingängen wird bei x86- Architekturen eingesetzt - SAPIC = Streamlined Advanced Programmable Interrupt Controller wird bei IA64-Architekturen eingesetzt Prof. Dr. Peter Mandl Seite 15

16 Gerät - Interrupt-Controller - CPU - Betriebssystem Übertragung der Interrupt-Request-Nummer, Mapping IRQ Int-Nr. D0-D7 IRQ 0 Gerät 1 Interrupt- Handling Betriebssystem CPU 8259A IRQ 1 Gerät 2... INT INTA IRQ 7 Gerät 8 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 16

17 Beispiel: Intel 8259A-Controller Innenleben Intel 8259A, vereinfacht 8259A D0-D7 Datenbus- Puffer In-Service- Register (ISR) Interrupt- Request- Register(IRR) IRQ0-7 CPU INTR INTA Steuerlogik Interrupt-Masken- Register (IMR) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 17

18 Beispiel: Intel 8259A-Controller kaskadiert CPU INTA (Bearbeitung durch CPU bestätigt) IRQ 0 0 timer output 1 keyboard CPU D0 D7 (Adressierung des Interrupts) CPU INTR Intel 8259 Master IMR IRQ 2 Intel 8259 Slave 08 real time clock 09 s/w - int a0h 10 reserved 11 reserved 12 PS/2 mouse 13 coprocessor 14 hard disk 15 reserved 03 serial 2 INTA = Interrrupt Acknowledge INTR = Interruptmeldung an CPU IMR = Interrupt Mask Register IRQ = Interrupt Request PIC = Programmable Interrupt Controller APIC = Advanced PIC 04 serial 1 05 parallel 2 06 floppy 07 parallel 1 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 18

19 Interrupt-Dispatching bei Mehrkernprozessoren Dispatching-Algorithmus im Interrupt-Dispatcher wählt einen Kern aus, der den Interrupt bearbeiten soll Kern 1 Bussystem Kern 2 Interrupt Dispatcher Interrupt Controller Interrupts Kern n Mehrkernprozessor Prof. Dr. Peter Mandl Seite 19

20 Fallbeispiel: Windows, Interrupt-Bearbeitung (1) Interrupt-Service-Routinen Asynchrone Interrupts Hardware-Interrupt E/A-Geräte, Taktgeber Synchrone Interrupts Systemcall Ausnahme- Ausnahme- Handler Ausnahme- Handler Handler Ausnahme- Ausnahme- Interrupt-Service- Handler Handler Routine Ausnahme- Ausnahme- Handler Systemdienste Handler Exceptions (Traps, Abort) Busfehler, Stromausfall, Division durch 0,... Ausnahmen verteiler Page Faults Seitenfehler- Handler Prof. Dr. Peter Mandl Seite 20

21 Fallbeispiel: Windows, Interrupt-Bearbeitung (2) Windows hat eine eigene Interrupt-Verwaltung Über sog. Interrupt Request Levels (IRQL) ordnet der Kernel den Interrupts eigene Prioritäten zu Nur Interrupts mit höherem IRQL können Interruptbearbeitung auf niedrigerem IRQL unterbrechen Über eine Interrupt Dispatch Tabelle (IDT) wird festgehalten, welche ISR für welchen Interrupt zuständig ist Prof. Dr. Peter Mandl Seite 21

22 Fallbeispiel: Windows, Interrupt-Bearbeitung (3) Interrupt Request Levels (IRQLs) in der IA32- Architektur IRQL Bezeichnung Beschreibung 31 High-Level Maschinen-Check und katastrophale Fehler 30 Power-Level Strom/Spannungsproblem 29 IPI-Level Interprocessor Interrupt 28 Clock-Level Clock-Interrupt 27 Sync-Level Prozessorübergreifende Synchronisation 3-26 Device-Levels Abbildung auf IRQs der Geräte je nach verbautem Interrupt-Controller 2 Dispatch/DPC-Level Dispatching und Ausfphrung von Deferred Procedure Calls 1 APC-Level Ausführung von Asynchronous Procedure Calls nach Ein-/Ausgabe-Requests 0 Passive-Level Normale Threadausführung Prof. Dr. Peter Mandl Seite 22

23 Fallbeispiel: Windows, Interrupt-Bearbeitung (4) Interrupt Request Levels (IRQLs) in der x64- und der IA64-Architektur IRQL Bezeichnung Beschreibung 15 High-Level Maschinen-Check und katastrophale Fehler 14 Power-Level Strom/Spannungsproblem und Interprozessor-Interrupt 13 Clock-Level Clock-Interrupt 12 Synch-Level Prozessorübergreifende Synchronisation 3-11 Device-Levels Abbildung auf IRQs der Geräte je nach verbautem Interrupt-Controller 2 Dispatch/DPC-Level Dispatching und Ausführung von Deferred Procedure Calls 1 APC-Level Ausführung von Asynchronous Procedure Calls 0 Passive-Level Normale Threadausführung Prof. Dr. Peter Mandl Seite 23

24 Fallbeispiel: Windows, Interrupt-Bearbeitung (5) Gerät Interrupt Controller (8259A PIC) IRQ-Code im I/O-System Interrupt-Service- Routine (im Treiber) 1: Interrupt Request (IRQ) IRQ Int-Nr. 2: Int-Nr. weiterreichen IRQL als Index 3: IRQL ermitteln und ISR- Adresse lesen 4: Interrupt Service Routine aufrufen 5: DPC-Eintrag Erzeugen und in Queue einstellen DPC = Deferred (verzögerter) Procedure Call Abarbeitung in IRQL 2 Interrupt Dispatch Table n I/O-System (Datenstrukturen und Code) Adresse (ISR) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 24

25 IRQL-Nutzung am Beispiel, Singleprozessor IRQL Device3- Level Device2- Level Device1- Level ISR 2 IRQL 0-3 maskiert ISR 3 IRQL 0-4 maskiert ISR 2 DPC- Queue- Anker DPC-Objekt aus ISR3 DPC-Objekt aus ISR2 Dispatch- Level 2 DPC-Bearbeitung + Dispatching APC- Level 1 Passive- Level Thread1 aktiv Thread1 aktiv t Interrupt von Device 2 Interrupt von Device 3 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 25

26 Fallbeispiel: Windows, Interrupt-Bearbeitung (6) Bei x86-systemen unterbricht der Interrupt- Controller (meist 8259-Baustein) die CPU auf einer Leitung (Hardware) Die CPU fragt den Controller ab, um eine Unterbrechungsanforderung (IRQ) zu erhalten (Hardware) Interrupt-Controller übersetzt IRQ in eine Interrupt- Nummer (Hardware) Aus Interrupt-Nummer wird IRQL ermittelt (Software, Windows) Die IDT enthält Adresse der anzustoßenden Interruptverteilroutine Prof. Dr. Peter Mandl Seite 26

27 Fallbeispiel: Windows, Interrupt-Bearbeitung (7) Interruptverteilroutine wird aufgerufen und ermitteln die Adresse der ISR ISR wird aufgerufen ISR erzeugt meist nur ein DPC-Objekt (Deferred Procedure Call) und hängt es in eine DPC-Queue ein - Kurze Bearbeitungszeiten in der ISR wird angestrebt - Kurze Bearbeitung in hoher Prioritätsstufe (IRQL) - Systembelastung gering halten DPC-Routine wird dann später mit niedrigerer Priorität (IRQL = 2) aufgerufen und ist unterbrechbar(er) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 27

28 Fallbeispiel: Windows, APC-Bearbeitung (8) APC = Asynchronous Procedure Call Anwendungsbeispiel: - Bei read-aufrufen an eine Festplatte wird die Threadbearbeitung zunächst unterbrochen - Nachdem der read-aufruf vom Kernel abgearbeitet wurde, wird ein APC-Objekt erzeugt und in die APC-Queue des rufenden Threads eingehängt - Die nachfolgende Bearbeitung der APC-Queue erfolgt dann mit IRQL 1 Je eine APC-Queue pro Thread im Kernel- und im Usermodus, je nachdem, von wo der read-aufruf abgesetzt wurde Hinweis: Threads sind leichtgewichtige Prozesse (später mehr dazu) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 28

29 Fallbeispiel: Linux Linux nutzt auch eine Tabelle mit Referenzen auf die Interrupt-Handler (ISR) Jeder Interrupt-Request wird auf eine Interrupt- Nummer (= Index in der Tabelle) abgebildet Meist wird in der ISR nur ein Tasklet erzeugt Tasklets dienen der schnellen Behandlung von Interrupts (ähnlich dem Windows-DPC- Mechanismus) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 29

30 Fallbeispiel: Linux, Interrupt-Vektor-Tabelle Die Interrupt-Vektor-Tabelle ist im System wie folgt definiert: extern irq_desc_t irq_desc [NR_IRQS]; Aufbau eines Tabelleneintrags: typedef struct { unsigned int status; hw_irq_controller *handler; struct irqaction *action; unsigned int depth; } cacheline_aligned irq_desc_t; // IRQ-Status // Zeiger auf verantwortlichen // Controller // Zeiger auf Action-Liste // Spezielles Feld zum Aktivieren und // Deaktivieren des IRQ Prof. Dr. Peter Mandl Seite 30

31 Fallbeispiel: Linux, Action-Liste action = Action-Descriptor, Struktur mit Verweis auf eigentliche ISR Verkettete Liste struct irqaction { // Verweis auf Interrupt-Service- // Routine void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *); }; unsigned long flags; const char *name void *dev_id; struct irqaction *next; // Eigenschaften des Interrupt-Handlers // Name des Interrupt-Handlers // Eindeutige Identifikation des // Interrupt-Handlers // Verweis auf nächsten Eintrag in der // Action-Liste Prof. Dr. Peter Mandl Seite 31

32 Fallbeispiel: Linux, Datenstrukturen im Kernel Interrupt-Vektor- Tabelle irq_dec_t irq_dec_t... irq_dec_t *handler... *action Abstrakter Interrupt- Controller (konkret z.b. PIC8259A) hw_irq_controller *enable *disable *startup... Action-Descriptor irqaction *next *handler name *next... *handler irqaction ISR... Prof. Dr. Peter Mandl Seite 32

33 Überblick 1. Begriffe und Klassifizierung 2. Zusammenspiel der Komponenten 3. Systemdienste und Systemcalls Prof. Dr. Peter Mandl Seite 33

34 Wiederholung: Interrupt-Klassifizierung Interruptklassen Asynchrone Interrupts (nicht vorhersehbar und auch nicht reproduzierbar) Synchrone Interrupts (vorhersehbar und auch reproduzierbar) Exceptions Systemcalls (Software-Interrupts) Faults Unterbrechung vor der Ausführung, z.b. Page Fault = Seitenfehler Traps Unterbrechung nach der Ausführung, z.b. Division durch 0 Prof. Dr. Peter Mandl Seite 34

35 Dienste des Betriebssystems Anwendungsprogramme nutzen die Dienste des Betriebssystems, die über sog. Systemcalls aufgerufen werden Wohldefinierte Einsprungpunkte ins Betriebssystem Spezieller Aufrufmechanismus für einen Systemcall - Software-Interrupt (als Trap bezeichnet) oder Supervisor Call - Vorteil: Anwendungsprogramm muss Adressen der Systemroutinen nicht kennen Alle Systemcalls zusammen bilden die Schnittstelle der Anwendungsprogramme zum Betriebssystemkern - Zugang zu Systemcalls wird meist in Bibliotheken bereitgestellt Prof. Dr. Peter Mandl Seite 35

36 Umschaltung in den Kernelmodus Systemcalls werden im Kernelmodus ausgeführt Beim Aufruf wird durch den Prozessor vom Usermodus in den Kernelmodus umgeschaltet Anwendungssoftware,... open() close() mount() Betriebssystemkern Prof. Dr. Peter Mandl Seite 36

37 Systemcall-Ablauf Befehlsfolge eines Systemaufrufs t Programminstruktionen System Call Programminstruktionen Code eines Anwendungsprogramms Softwareinterrupt Parameter auf Stack legen PC Adresse (Systemroutine) Umschalten auf Kernel Mode Zurück vom Kernel Mode Ergebnis vom Stack holen PC Adresse (nach Systemcall) Umschalten auf User Mode Betriebssystemkern Prof. Dr. Peter Mandl Seite 37

38 Systemcall-Ablauf unter Linux/x86-CPUs (1) x86-befehl: int n int $0x80 // Aufruf des Interrupts mit der Interrupt-Vektor-Nummer n // Trap, Systemcall C-Code: main() { open( mandl.txt,1); // Datei zum Lesen öffnen } Maschinencode: (gcc-compiler):.lco:.string mandl.txt.text.globl main main:... call open... Prof. Dr. Peter Mandl Seite 38

39 Systemcall-Ablauf unter Linux/x86-CPUs (2) Open-Routine in der Linux C-Library: libc_open:... mov 0xc(%esp,1), %ecx mov... mov $0x5, %eax int $0x iret // Parameter für Open in Register laden // Systemcall-Code für open-funktion // Systemcall // zurück zum Aufrufer Interrupt-Vektor-Nummer $0x80 ist Index für die Adressierung der Interrupt-Vektor-Tabelle (IVT) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 39

40 Systemcall-Ablauf unter Linux/x86-CPUs (3) int $0x80 Usermodus IVT Kernelmodus Verteiler Systemcall-Tabelle (syst_call_table) SVR IVT = Interrupt-Vektor-Tabelle, SVR = Serviceroutine, bearbeitet Systemcall Systemcall-Tabelle verweist auf Implementierungen der Systemdienste Prof. Dr. Peter Mandl Seite 40

41 Systemcall-Ablauf unter Linux: Sequenzdiagramm Anwendungsprogramm C-Library Kernel- Verteilroutine Systemcall-Impl. für open() 1: open() 2: int 0x80 (EAX=5,...) 3: Adresse open-routine = Systemcall-Tabelle[EAX] 4: Aufruf der open-routine 6: return 5: Open- Ausführung 7: return 8: return Usermodus Kernelmodus Systemcall-Tabelle enthält alle Verweise auf Systemcalls (struct sys_call_table) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 41

42 Vergleichbare Befehle in anderen Prozessoren EPC-Befehl = Enter Privileged Mode in IA64 - Übergabe von max. 8 Parametern in Registern und die restlichen Parameter im Kernelstack syscall-befehl in x64 - Übergabe der Systemcall-Nr. im EAX-Register - Max. 8 Parameter in Registern und die restlichen Parameter im Kernelstack sysenter-befehl in x86 Pentium II Prof. Dr. Peter Mandl Seite 42

43 Systemcalls bei POSIX Systemcalls sind standardisiert in IS POSIX-Konformität erfüllen die meisten Unix- Derivate Beispiele: - fork(): Prozesserzeugung - execve(): Aufruf eines Programms - exit(): Beenden eines Prozesses - open(): Datei öffnen - close(): Datei schließen - read(): Daten aus Datei lesen - write(): Daten in Datei schreiben POSIX = Portable Operating System Unix Prof. Dr. Peter Mandl Seite 43

44 Systemcalls bei Win32-API In Windows-Systemen sind die Systemcalls in der Windows-API (Application Programming Interface) definiert Es gibt einige 1000 API-Funktionen, einige davon sind Systemcalls Beispiele: - CreateProcess() Prozesserzeugung - exitprocess(): Beenden eines Prozesses - CreateFile(): Erzeugen und Öffnen einer Datei - CloseHandle(): Datei schließen - ReadFile(): Daten aus Datei lesen - WriteFile(): Daten in Datei schreiben Prof. Dr. Peter Mandl Seite 44

45 Systemcall-Ablauf unter Windows Windows- Anwendung Win-API int, epc, syscall, sysenter Usermodus Kernelmodus Systemdienstschnittstelle Systemservice- Dispatcher (KiSystemService) Systemservice- Routine Prof. Dr. Peter Mandl Seite 45

46 Überblick 1. Begriffe und Klassifizierung 2. Zusammenspiel der Komponenten 3. Systemdienste und Systemcalls Prof. Dr. Peter Mandl Seite 46

47 Zusammenfassung Interruptverarbeitung Polling und Interrupts Synchrone und asynchrone Interrupts Interrupt-Requests (IRQ) und Interrupt-Bearbeitung Interrupt-Vektor-Tabelle (IVT) zur Adressierung von Interrupt-Service-Routinen (ISR) für synchrone und asynchrone Interrupts Systemcalls = synchrone Software-Interrupts, (oft auch, etwas verwirrend als Traps bezeichnet) Prof. Dr. Peter Mandl Seite 47

48 Gesamtüberblick Einführung in Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten Interruptverarbeitung in n 4. Prozesse und Threads 5. CPU-Scheduling 6. Synchronisation und Kommunikation 7. Speicherverwaltung 8. Geräte- und Dateiverwaltung 9. Betriebssystemvirtualisuerung Prof. Dr. Peter Mandl Seite 48