Системные механизмы Windows

Системные механизмы
диспетчеризация ловушек, в т.ч. прерываний, DPC (deferred procedure call), APC (asynchronous procedure call), исключений и системных сервисов
диспетчер объектов исполнительной системы
системные рабочие потоки
LPC (local procedure call)
Kernel Event Tracing
Wow64

1. Диспетчеризация ловушек

Ловушки (trap)
Прерывания (interrupt) – асинхронные события, которые могут произойти в любой момент, генерируемые, в основном, устройствами ввода-вывода и таймерами. Могут генерироваться программно.
Исключения (exception) – синхронные события, возникновение которых связано с выполнением определенных инструкций.
Механизм ловушек позволяет процессору перехватить управление над выполняемым потоком и передать управление специальной части ОС – обработчику ловушек (trap handler)

Типовые ситуации активизации обработчика ловушек
Прерывания
Вызов системного сервиса
Аппаратные исключения
Программные исключения
Исключения, связанные с виртуальными адресами

Общие принципы обработки ловушек
Возникновение прерывания или исключения
Переключение на стек режима ядра (если прерванный процесс выполняется в режиме пользователя)
Запись статусной информации (контекста) процесса на стек ядра для последующего восстановления процесса
Создание фрейма ловушки (trap frame) на стеке ядра
Вызов соответствующего обработчика ловушки
Выполнение обработчика
Восстановление контекста прерванного процесса
Возобновление прерванного процесса

Аппаратные прерывания
Генерируется устройствами ввода-вывода с целью получить от процессора время на их обслуживание
Могут генерироваться системным программным обеспечением
Ядро может запретить прерывания
Для обработки прерываний устанавливаются специальные обработчики ловушек прерываний, которые передают управления ISR (interrupt service routing, процедуре обслуживания прерывания) или внутренней процедуре ядра

Обработка аппаратных прерываний
Контроллер
прерываний
Устройство
Процессор
IRQ
…
IDT
(interrupt dispatch table)
IRQ транслируется в индекс
в таблице IDT, куда до этого Windows
занесла указатели на обработчики
прерываний
Обработчик
прерывания
запрос на
прерывание
ISR
Процедура
ядра

Уровень запросов прерываний (IRQL)
IRQL – interrupt request level – показывает, какие прерывания могут быть получены указанным PIC (Programmable Interrupt Controller, программируемый контроллер прерываний)
Процессы могут изменять IRQL на платформах с программируемыми контроллерами прерываний, используя специальные системные вызовы – KeRaiseIrql и KaLowerIrql
Прерывания обрабатываются в соответствии с их уровнем – прерывания с более высоким IRQL могут прервать обработку прерываний с более низким IRQL

Уровни запросов прерываний
(на платформе x86)

Уровни запросов прерываний
(на платформе х64 и IA64)

Маскировка прерываний
Прерывания могут быть замаскированы, т.е. их получение PIC не может быть выполнено, если для него установлен соответствующий IRQL
Процессы могут изменять IRQL на платформах с программируемыми контроллерами прерываний, используя специальные системные вызовы – KeRaiseIrql и KaLowerIrql
При изменении IRQL необрабатываемые прерывания могут «материализоваться»

Маскировка прерываний

Маскировка прерываний на уровне HAL
Обращение к PIC – медленная операция, поэтому реально она фактически не выполняется
На уровне HAL реализуется механизм отложенный IRQL (lazy IRQL)
Маска прерывания при этом не меняется – HAL фиксирует новый уровень прерывания
При возникновении прерывания с более низким IRQL HAL откладывает его выполнение до момента понижения уровня запроса прерывания

Связь прерываний и IRQL
Механизм IRQL, реализованный в Windows, не поддерживается аппаратно
Конкретные устройства определяются в системе драйвером шины, который в т.ч. выполняет назначение номеров прерываний (IRQ)
Драйвер шины обращается к уровню HAL, который и увязывает IRQ с уровнями IRQL
Трансляция IRQ-IRQL на разных платформах выполняется по-разному
Однопроцессорная х86: IRQL = 27-IRQ
Многопроцессорная x86: прямым перебором
x64 и IA64: путем деления вектора прерываний на 16

Уровень ядра: объект прерывания

Программные прерывания
Диспетчеризация или DPC
Обработка прерываний, не критичных во времени
Обработка событий таймеров
APC
Асинхронный ввод-вывод

Прерывания DPC или диспетчеризация
Для выполнения отложенных операций диспетчеризации процессов, например, при перераспределении процессорного времени на глубоко вложенных частях программного кода
Процессор откладывает выполнение прерываний диспетчеризации в том случае, когда IRQL находится на уровне DPC/dispatch или выше
После того, как уровень IRQL понижается прерывания DPC могут быть выполнены