Лекция: 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 [6].

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.