程序上下文和中斷上下文的區別

2021-07-28 13:13:01 字數 1695 閱讀 2212

核心空間和使用者空間是現代作業系統的兩種工作模式,核心模組執行在核心空間,而使用者態應用程式執行在使用者空間。它們代表不同的級別,而對系統資源具有不同的訪問許可權。核心模組執行在最高端別(核心態),這個級下所有的操作都受系統信任,而應用程式執行在較低級別(使用者態)。在這個級別,處理器控制著對硬體的直接訪問以及對記憶體的非授權訪問。核心態和使用者態有自己的記憶體對映,即自己的位址空間。

系統的兩種不同於行狀態,才有了上下文的概念。使用者空間的應用程式,如果想請求系統服務,比如操作某個物理裝置,對映裝置的位址到使用者空間,必須通過系統呼叫來實現。(系統呼叫是作業系統提供給使用者空間的介面函式)。如下圖所示:

通過系統呼叫,使用者空間的應用程式就會進入核心空間,由核心代表該程序執行於核心空間,這就涉及到上下文的切換,使用者空間和核心空間具有不同的位址對映,通用或專用的暫存器組,而使用者空間的程序要傳遞很多變數、引數給核心,核心也要儲存使用者程序的一些暫存器、變數等,以便系統呼叫結束後回到使用者空間繼續執行,所謂的程序上下文,就是乙個程序在執行的時候,cpu的所有暫存器中的值、程序的狀態以及堆疊上的內容,當核心需要切換到另乙個程序時,它需要儲存當前程序的所有狀態,即儲存當前程序的程序上下文,以便再次執行該程序時,能夠恢復切換時的狀態,繼續執行。

同理,硬體通過觸發訊號,向cpu傳送中斷訊號,導致核心呼叫中斷處理程式,進入核心空間。這個過程中,硬體的一些變數和引數也要傳遞給核心,核心通過這些引數進行中斷處理,中斷上下文就可以理解為硬體傳遞過來的這些引數和核心需要儲存的一些環境,主要是被中斷的程序的環境。

linux核心工作在程序上下文或者中斷上下文。提供系統呼叫服務的核心**代表發起系統呼叫的應用程式執行在程序上下文;另一方面,中斷處理程式,非同步執行在中斷上下文。中斷上下文和特定程序無關。

執行在程序上下文的核心**是可以被搶占的(linux2.6支援搶占)。但是乙個中斷上下文,通常都會始終占有cpu(當然中斷可以巢狀,但我們一般不這樣做),不可以被打斷。正因為如此,執行在中斷上下文的**就要受一些限制,不能做下面的事情:

1. 睡眠或者放棄cpu。

由於中斷上下文不屬於任何程序,它與current沒有任何關係(儘管此時current指向被中斷的程序),所以中斷上下文一旦睡眠或者放棄cpu,將無法被喚醒。所以也叫原子上下文(atomic context)。

2. 嘗試獲得訊號量

為了保護中斷控制代碼臨界區資源,不能使用mutexes。如果獲得不到訊號量,**就會睡眠,會產生和上面相同的情況,如果必須使用鎖,則使用spinlock。

3. 執行耗時的任務

中斷處理應該盡可能快,因為核心要響應大量服務和請求,中斷上下文占用cpu時間太長會嚴重影響系統功能。在中斷處理例程中執行耗時任務時,應該交由中斷處理例程底半部來處理。

4. 訪問使用者空間的虛擬位址

因為中斷上下文是和特定程序無關的,它是核心代表硬體執行在核心空間,所以在終端上下文無法訪問使用者空間的虛擬位址

5. 中斷處理例程不應該設定成reentrant(可被並行或遞迴呼叫的例程)。因為中斷發生時,preempt和irq都被disable,直到中斷返回。所以中斷上下文和程序上下文不一樣,中斷處理例程的不同例項,是不允許在smp上併發執行的。

6. 中斷處理例程可以被更高階別的irq中斷。如果想禁止這種中斷,可以將中斷處理例程定義成快速處理例程,相當於告訴cpu,該例程執行時,禁止本地cpu上所有中斷請求。這直接導致的結果是,由於其他中斷被延遲響應,系統效能下降。

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