[07] - исключения защищенного режима / микроядерные системы
Исключения защищенного режима.
Я уже неоднократно упоминал это слово в предидущих выпусках. Но думаю что не всем было понятно что это такое. Сейчас мы рассмотрим это поподробнее.
Исключения или системные прерывания существовали еще в самых первых моделях процессоров от Intel. Вот их список:
0. Division by zero (деление на ноль или переполнение при делении);
1. Single step (пошаговая отладка);
3. Breakpoint;
4. Overflow (срабатывает при команде into в случае установленного флага overflow в регистре flags);
6. Invalid opcode (i286+);
7. No math chip;
Исключения располагаются в начале таблицы прерываний. В реальном режиме занимают 8 первых векторов прерываний.
Введение защищенного режима потребовало введения дополнительных исключений. В защищенном режиме первые 32 вектора прерываний зарезервированы для исключений. Не все они используются в существующих процессорах, в будующем возможно их будет больше. Системные прерывания в защищенном режиме делятся на три типа: нарушения (fault), ловушки (trap) и аварии (abort).
Итак в защищенном режиме у нас существуют следующие исключения:
0. Divide error (fault);
1. Debug (fault/trap);
3. Breakpoint (trap);
4. Overflow (trap);
5. Bounds check (fault);
6. Invalid opcode (fault);
7. Coprocessor not available (fault);
8. Double fault (abort);
9. Coprocessor segment overrun (fault);
10. Invalid tss (fault);
11. Segment not present (fault);
12. Stack fault (fault);
13. General protection fault (fault);
14. Page fault (fault);
16. Coprocessor error (fault);
17. Alignument check (fault) (i486+);
18. Hardware check (abort) (Pentium+);
19. SIMD (fault) (Pentium III+).
Нарушения возникают вследствии несанкционированных или неправильных действий программы, предполагается, что ошибки можно исправить и продолжить выполнение программы с инструкции, которая вызвала ошибку.
Ловушки возникают после выполнения инструкции, но тоже подразумевают исправление ошибочной ситуации и дальнейшую работу программы.
Аварии возникают в случае критических нарушений, после этого программа уже не может быть перезапущена и должна быть закрыта.
Но иногда в случае ошибки или ловушки программа тем не менее не может продолжить свое выполнение. Это зависит от тяжести нарушения и от организации операционной системы, которая обрабатывает исключения. И если ошибка или ловушка не может быть исправлена, программу так же следует закрыть.
При возникновении исключения процессор иногда помещает в стек код ошибки, по которому обработчик исключения может проанализировать и, возможно, исправить возникшую ошибку.
Все исключения обрабатываются операционной системой. В случае микроядерных систем этим занимается микроядро. Вот о микроядрах мы и поведем наш дальнейший разговор.
Микроядерные системы.
В первых выпусках я уже касался этой темы, но тогда я ограничился буквально несколькими словами. Но теперь мы решили двигаться именно в сторону микроядерности, значит стоит поподробнее рассказать, что это такое.
Принцип микроядерности заключается в том, что ядро практически не выполняет операций, связанных с обслуживанием внешних устройств. Эту функцию выполняют специальные программы-сервера. Ядро лишь предоставляет им возможность обращаться к устройствам. Помимо этого ядро обеспечивает многозадачность (параллельное выполнение программных потоков), межпроцессное взаимодействие и менеджмент памяти.
Приложения (как и сервера) у нас работают на третьем, непривилегированном кольце и не могут свободно обращаться к портам ввода/вывода или dma памяти. Тем более не могут сами устанавливать свои обработчики прерываний. Для использования ресурсов процессы обращаются к ядру с просьбой выделить необходимые ресурсы в их распоряжение. Осуществляется это следующим образом:
Для обеспечения доступа к портам ввода/вывода используются возможности процессоров, впервые появившиеся intel 80386. У каждой задачи (в сегменте состояния задачи (TSS)) существует карта доступности портов ввода/вывода. Приложение обращается к ядру с "просьбой" зарегистрировать для нее диапазон портов. Если эти порты до тех пор никем не были заняты, то ядро предоставляет их в распоряжение процесса, помечая их как доступные в карте доступности ввода/вывода этого процесса.
DMA память, опять таки после запроса у ядра, с помощью страничного преобразования подключается к адресному пространству процесса. Настройка каналов осуществляется ядром по "просьбе" процесса.
Доступ к аппаратным прерываниям (IRQ) осуществляется сложнее. Для этого процесс порождает в себе поток (thread), и сообщает ядру, что этот поток будет обрабатывать какое-то IRQ. При возникновении аппаратного прерывания, которое обрабатывает всетаки ядро, данный процесс выходит из состояния спячки, в котором он находился в ожидании прерывания, и ставится в очередь к менеджеру процессов. Такие потоки должны иметь более высокий приоритет, чем все остальные, дабы вызываться как можно скорее.
Но, как я говорил, ядро выполняет еще некоторые функции, немаловажная из которых - это межпроцессное взаимодействие. Оно представляет из себя возможность процессов обмениваться сообщениями между собой. В отличии от монолитных систем в микроядерных системах межпроцессное взаимодействие (Inter Process Communication или IPC) это едва ли не основное средство общения между процессами, и поскольку все драйвера у нас такие же процессы, микроядерное IPC должно быть очень быстрым. Быстродействие IPC достигается за счет передачи сообщений без промежуточного буферизирования в ядре. Либо непосредственным переписыванием процессу-получателю, либо с помощью маппинга страниц (если сообщения большого размера).
Менеджер памяти имеет как бы две стороны. Первая сторона - внутренняя, распределение памяти между приложениями, организация свопинга (который тоже осуществляется не ядром непосредственно, а специальной программой-сервером) никаким образом не интересует остальные программы. Но другая сторона - внешняя служит именно для них. Программы могут запросить у ядра во временное пользование некоторое количество памяти, которое ядро им обязательно предоставит (в разумных пределах... гигабайта два... не больше...
. Или же программы могут запросить у ядра какой-то определенный участок памяти. Это бывает необходимо программам-серверам. И это требование ядром также вполне может быть удовлетворено при условии, что никакая другая программа до того не забронировала этот участок памяти для себя.