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一種支持I/O的核外中斷執行算法
作者：
時(shí)間：2010-02-05
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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3 用戶(hù)態(tài)掛接中斷的實(shí)現
實(shí)現核外中斷實(shí)際上包含三個(gè)步驟：
(1)跳到核外中斷處理程序。在IA32平臺下，由于CALL/JMP類(lèi)指令有保護機制的約束，只能由外向內跳轉，而RET和IRET指令恰好相反，只能由內向外跳。因此，一個(gè)很常用的技術(shù)的就是采用RET或IRET指令實(shí)現由內向外的“調用”。首先在堆棧上壓入需要調用的核外驅動(dòng)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(hù)代碼的段選擇子，SS為用戶(hù)堆棧的段選擇子。執行RET或IRET，硬件將從堆棧上彈出CS：IP和SS：ESP。CPU進(jìn)行安全檢查之后，就可以執行ISR。ARTs-OS使用IRET指令完成此功能。
(2)從核外驅動(dòng)返回內核。核外驅動(dòng)ISR執行完后，要返回到內核ISR的調用處。因為IA32平臺的限制不能采用常規的返回執行，所以應采用“堆棧執行”的技巧。即在堆棧上壓入匯編代碼，然后利用返回指令執行該代碼，實(shí)現重返內核。具體步驟：①調用驅動(dòng)ISR之前，應作一定準備工作；②保存內核的當前運行狀態(tài)；③找到核外驅動(dòng)程序ISR將使用的堆棧；④在堆棧中壓入代碼，該代碼主要實(shí)現INT n的系統調用，重返內核，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(guò)程調用的“調用幀”的前半段后，用IRET指令進(jìn)入該驅動(dòng)程序ISR；⑦進(jìn)入內核后，根據以前保存的信息恢復到內核以前的狀態(tài)。
當執行到驅動(dòng)程序ISR的RET語(yǔ)句時(shí)(該RET編譯后為一個(gè)段內近調用，因為編譯器并不知道該函數會(huì )被系統“回調”，所以把它當作一個(gè)普通的函數進(jìn)行編譯)，由于返回地址為堆棧上事先壓入代碼的首地址，所以執行該代碼；在平衡堆棧后，用INT指令重返內核。
(3)驅動(dòng)程序地址空間的恢復。為了方便驅動(dòng)程序ISR訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序空間中的全局變量，應當在進(jìn)入核外驅動(dòng)ISR之前恢復該驅動(dòng)程序的地址空間。這類(lèi)似于進(jìn)程切換。首先將該驅動(dòng)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，然后執行其中的ISR。
在這個(gè)過(guò)程中要用到描述一個(gè)用戶(hù)態(tài)中斷的數據結構，用C語(yǔ)言表示為：
typedef struct UserInterrupt_t{
ThreadId id；//表示注冊此中斷的線(xiàn)程id
unsigned long interruptId；//惟一表示一個(gè)中斷
InterruptFunction function；//中斷的服務(wù)函數指針
unsigned long parameter；//中斷服務(wù)程序使用的參數
struct UserInterrupt_t *next；//用來(lái)維護一個(gè)鏈表
} UserInterrupt，*UserInterruptPtr；
實(shí)現中斷掛接的主要系統調用：
SyscallError tmAttachInterrupt(unsigned char irqno，InterruptFunction function，unsigned
long parameter，unsigned long *intId)；
SyscallError tmDetachInterrupt(unsigned long intId)；
實(shí)際上，因為IA32平臺的限制，用戶(hù)態(tài)線(xiàn)程/進(jìn)程不能直接操縱I/O。為了更好地實(shí)現核外驅動(dòng)，中斷管理模塊還提供了一個(gè)關(guān)閉這種限制的函數：
SyscallError tmIOPL(unsigned char on)；
4 核外中斷的評價(jià)
ARTs-OS的核外硬中斷可以滿(mǎn)足I/O管理的要求，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：
(1)實(shí)現簡(jiǎn)單。ARTs-OS的核外硬中斷實(shí)現起來(lái)非常簡(jiǎn)單，內核只需額外提供幾個(gè)系統調用。而這些系統調用的實(shí)現方法也很簡(jiǎn)單，且結構清晰、所需的代碼少，完全能夠滿(mǎn)足ARTs-OS作為嵌入式系統的需要。
(2)驅動(dòng)程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單。中斷管理為核外驅動(dòng)程序提供幾個(gè)系統調用，如：掛接中斷、刪除中斷等。驅動(dòng)程序只需準備好相應的中斷處理函數調用系統調用即可。驅動(dòng)程序使用核外驅動(dòng)和使用其他系統調用一樣簡(jiǎn)單，無(wú)需特殊的操作。
(3)調試方便。通常，驅動(dòng)程序在核內運行，其中斷服務(wù)程序也在核內運行。一般的調試工具不能調試核內的程序，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，這些函數使用的數據、函數都在核外，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沒(méi)有本質(zhì)的區別，便于使用GDB等調試工具。
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(shí)，為了執行相應的中斷服務(wù)程序必須到核外，執行完畢后又必須切換回核內。這樣執行每個(gè)中斷服務(wù)程序都必須來(lái)回進(jìn)行上下文切換，從而導致運行速率下降。實(shí)際上，ARTs-OS針對這種來(lái)回切換的情況進(jìn)行了一些優(yōu)化，切換時(shí)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(huì )對系統的安全性產(chǎn)生一定的影響，因為驅動(dòng)程序能夠使用核外的驅動(dòng)方式，必然導致運行在核外的驅動(dòng)程序擁有一些特權。但實(shí)際上這種安全性的保障應該是驅動(dòng)程序編制者的任務(wù)，即驅動(dòng)程序編制者應該自己保障其中斷服務(wù)程序不破壞系統的安全性。
綜合考慮系統的擴展性、簡(jiǎn)潔性和功能，ARTs-OS的實(shí)現應該是可以接受的。
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