Univerzitet u Novom Sadu

Fakultet tehničkih nauka

Odsek za računarsku tehniku i računarske komunikacije

Linuks u ugrađenim sistemima i razvoj rukovalaca

Procesi, raspoređivanje i prekidi

Sadržaj

Procesi, raspoređivanje i prekidi

Procesi i raspoređivanje

Uspavljivanje procesa

Rukovanje prekidima

2

PROCESI, RASPOREĐIVANJE I PREKIDI

Procesi i raspoređivanje

3

Procesi

Proces je instanca pokrenutog programa

Više instanci istog programa može biti pokrenuto

Memorija za kod programa (tekst sekcija) je deljena

Svaki proces ima svoju sekciju sa podacima, adresni prostor, stanje procesora, otvorene datoteke i signale

U kerenlu postoji posebna struktura za svaki proces

Niti

U Linuksu su niti implementirane kao procesi

Nove niti su implementirane kao obični procesi sa malom razlikom

Razlika u odnosu na običan proces - deljeni resursi sa roditeljskim procesom:

adresni prostor

resursi sistema datoteka

deskriptori datoteka

rukovaocima siganlima

Proces, nit?

Česta je zabuna oko pojmova proces, nit i zadatak

U Unix-u, proces se stvara pomoću fork() i sastoji se od

Adresnog prostora koji sadrži programski kod, podatke, stek, deljene biblioteke, itd.

Jednu nit, kao entitet vidljiv raspoređivaču

Po stvaranju, proces sadrži jednu nit

Dodatne niti mogu biti stvorene unutar postojećeg procesa pomoću pthread_create()

One se izvršavaju u istom adresnom prostoru kao i prva niti procesa

Počinju izvršavanje funkcije prosleđene kao argument pozivu pthread_create() 6

Proces, nit: sa stanovišta kernela

Kernel svaku nit pokrenutu u sistemu predstavlja strukturom tipa struct task_struct

Po pitanju raspoređivanja, nema razlike između inicijalne niti procesa i svih ostalih niti dinamički stvorenih pomoću pthread_create()

7

Životni ciklus niti

Roditeljski proces poziva fork() ili

pthread_create() i kreira novu nit

ZADATAK_POKRENUT Spreman ali se ne

izvršava

ZADATAK_POKRENUT Zapravo se izvršava

ZADATAK_SA_PREKIDIMA ili

ZADATAK_BEZ_PREKIDA Čeka

IZLAZ_ZOMBI Zadatak je završen ali njegovi resursi još nisu oslobođeni. Čeka se da roditeljksi proces potvrdi

kraj .

Proces je izabran od

strane raspoređivača

zadataka

Proces je istisnut od

strane raspoređivača

zadataka zbog

procesa većeg

prioriteta

Proces se

uspavljuje dok

čeka na neki

događaj

Događaj se

pojavluje ili

proces

dobija signal

za buđenje.

Izvršavanje sistemskog poziva

Korisnički programi i sistemski pozivi se zajedno raspoređuju

Sistemski pozivi se izvršavaju u kontekstu niti koja ih zahteva

Proces se izvršava u korisničkom prostoru (može biti istisnut)

Proces nastavlja izvršavanje u korisničkom prostoru (ili ga

menja pioritetniji proces, može biti istisnut)

Kernel kod se izvršava na osnovu poziva iz korisničkog prostora (takođe može biti

istisnut)

Sistemski poziv ili izuzetak

I dalje ima pristup

podacima procesa

(otovrene datoteke...)

PROCESI, RASPOREĐIVANJE I PREKIDI

Uspavljivanje procesa

10

Uspavljivanje procesa

Uspavljivanje procesa je potrebno kada proces (korisnički ili kernelski) čeka podatke

Korisnički proces

Korisnički proces

Sistemski poziv

Sistemski poziv

Obrađivač prekida

Drugi

procesi se

izvršavaju

Čitanje sa

uređaja

zahtev za

podacima

uspavljivanje buđenje

povratak

notifikacija o

spremnim

podacima

Kako se proces uspavljuje (1/3)

Mora se deklarisati red čekanja

Red čekanja se koristi za čuvanje liste niti koje čekaju na događaj

Statička deklaracija reda čekanja

Korisno za deklarisanje u vidu globalne promenljive

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD (module_queue);

Dinamička deklaracija reda čekanja

Korisno za uključivanje reda čekanja unutar druge strukture

wait_queue_head_t queue;

init_waitqueue_head(&queue);

Kako se proces uspavljuje (2/3)

Postoji nekoliko načina da se uspava kernelski proces

void wait_event(queue, condition);

Spava dok dati C izraz ne postane tačan (ne može biti prekinut, npr. ubijanjem klijentskog procesa u korisničkom prostoru)

wait_event_killable(queue, condition);

Može da bude prekinut samo fatal signalom (SIGKILL).

Vraća -ERESTARTSYS ako je prekinut.

wait_event_interruptible(queue, condition);

Može da bude prekinut bilo kojim signalom.

Vraća -ERESTARTSYS ako je prekinut.

Kako se proces uspavljuje (3/3)

wait_event_timeout(queue, condition,

timeout);

Spava i automatski se budi posle isteka datog vremenskog perioda.

Vraća 0 ako je istekao dati vremenski period ili vrednost različitu od 0 ako je ispunjen uslov.

wait_event_interruptible_timeout(queue,

condition, timeout);

Isto kao prethodni, samo što može da bude prekinut.

Vraća 0 ako je istekao dati vremenski period, -ERESTARTSYS ako je prekinut ili pozitivnu vrednost ako je ispunjen uslov.

Primer uspavljivanja procesa

ret = wait_event_interruptible

(sonypi_device.fifo_proc_list,

kfifo_len(sonypi_device.fifo) != 0);

if (ret)

return ret;

Buđenje

Obično se pokreće od strane obrađivača prekida kada postanu dostupni podaci koje su zahtevali uspavani procesi wake_up(&queue);

Budi sve uspavane procese koji čekaju u datom redu čekanja

wake_up_interruptible(&queue);

Budi samo procese čije spavanje može da bude prekinuto a nalaze se u datom redu čekanja

Ekskluzivno naspram neekskluzivnog uspavljivanja

wait_event_interruptible() postavlja zadatak u neekskluzivno čekanje.

Svi neekskluzivni zadaci se bude pomoću wake_up() / wake_up_interruptible()

wait_event_interruptible_exclusive() postavlja zadatak u ekskluzivno čekanje.

wake_up() / wake_up_interruptible() budi sve neekskluzivne zadatke i samo jedan ekskluzivni zadatak

wake_up_all() / wake_up_interruptible_all() budi sve neekskluzivne i sve ekskluzivne zadatke

Ekskluzivna uspavljivanja su korisna za izbegavanje buđenja više zadataka onda kada će samo jedan biti u mogućnosti da “upotrebi” događaj.

Neekskluzivna uspavljivanja su korisna kada događaj može da zadovolji više zadataka.

17

Implemenatcija uspavljivanja i buđenja procesa (1/2)

Implemenatcija uspavljivanja i buđenja procesa (2/2)

Raspoređivač ne preračunava iznova uslov za buđenje procesa!

wait_event(queue, condition);

Proces se postavlja u stanje TASK_UNINTERRUPTIBLE

wake_up(queue);

Svi procesi koji čekaju u datom redu čekanja se bude, tako da se kasnije raspoređuju i dobijaju priliku da ponovo provere uslov i vrate se na uspavano stanje ukoliko uslov nije ispunjen.

Ukoliko je uslov ispunjen proces se vraća u TASK_RUNNING stanje i njegovo polje need_resched se postavlja na odgovarajuću vrednost

Na ovaj način moguće je probuditi više procesa u isto vreme

Pogledajte include/linux/wait.h za detalje.

PROCESI, RASPOREĐIVANJE I PREKIDI

Rukovanje prekidima

20

Registracija obrađivača prekida (1/3)

Preporučeno je koristiti “managed” API

int devm_request_irq(struct device *dev,

unsigned int irq,

irq_handler_t handler,

unsigned long irq_flags,

const char * devname,

void * dev_id);

Registruje obrađivač prekida, vraća 0 ukoliko je uspešno izvršeno

device za automatsko oslobađanje u vreme uklanjanja modula ili uređaja

irq je zahtevani kanal (linija) prekida. Za platformske u ređaje koristiti platform_get_irq() za dobavljanje broja (linije) prekida.

handler je pokazivač na obrađivač prekida

irq_flags je opciona maska (vidite u nastavku)

devname je registrovano ime

Registracija obrađivača prekida (2/3)

dev_id je pokazivač na neki podatak. Ne sme biti NULL i mora da bude unikatan za deljene linije prekida (irq)

U suprotnom free_irq() ne bi znao koji obrađivač prekida da oslobodi u slučaju da se koristi deljena linija

void devm_free_irq(struct device *dev,

unsigned int irq,

void * dev_id);

Eksplicitno oslobađa obrađivač prekida. U normalnim situacijama dešava se automatski (implicitno).

Definisano u datoteci include/linux/interrupt.h

Registracija obrađivača prekida (3/3)

irq_flags vrednosti (bitske vrednosti, mogu da se kombinuju, ne moraju se postaviti i tada se koristi 0)

IRQF_DISABLED

Brz obrađivač prekida - pokreće se sa onemogućenim prekidima na trenutnom procesoru (umesto samo na liniji prekida)

Trebalo bi ga koristiti samo kad je neophodno

IRQF_SHARED

Pokreće se sa onemogućenim prekidima na trenutnoj liniji i lokalnom procesoru

Linija prekida može biti deljena

Zahteva hardverski statusni registar za signalizaciju podizanja prekida

IRQF_SAMPLE_RANDOM

Prekidi mogu da se koriste za doprinos entropiji sistema koju koriste /dev/random i /dev/urandom

Korisno za generisanje nasumičnih brojeva

Ne koristiti ako je ponašanje prekida predvidljivo

Ograničenja obrađivača prekida

Ne mogu se pokrenuti iz korisničkog konteksta

Ne mogu da prenose podatke u / iz korisničkog prostora (mora da se izvrši preko sistemskih poziva) jer nema garancije u kojem će adresnom prostoru biti sistem u trenutku kada se dogodi prekid

Izvršavanje obrađivača prekida kontroliše procesor, a ne raspoređivač

Ne mogu da izvršavaju akcije koje mogu dovesti do spavanja jer nema ko da ih probudi

Moraju da alociraju memoriju sa GFP_ATOMIC

Obrađivači prekida se pokreću sa isključenim svim prekidima na lokalnom procesoru

Moraju brzo da završe svoj posao da ne blokiraju ostale prekide suviše dugo

Kada registorvati obrađivač prekida?

Na inicijalizaciji

troši puno linija (kanala) prekida

Pri otvaranju uređaja (prvi poziv open operacije nad datotekom)

Bolje za čuvanje linija prekida

Mora se brojati koliko je puta uređaj otvoren kako bi se posle poslednjeg zatvaranja odregistrovao obrađivač prekida

Informacije o registrovanim obrađivačima prekida

Spisak se dobija izlistavanjem datoteke /proc/interrupts

Napomena: brojevi prekida prikazani u levoj koloni su virtuelni brojevi u slučaju da se koristi Device Tree. Pravi fizički brojevi prekida su ili prikazani u dodatnoj koloni ili se mogu pronaći u /sys/kernel/debug/irq_domain_mapping.

CPU0 CPU1

39: 4 0 GIC TWL6030-PIH

41: 0 0 GIC l3-dbg-irq

44: 20294 0 GIC DMA

52: 0 0 GIC gpmc

...

IPI0: 0 0 Timer broadcast interrupts

IPI1: 23095 25663 Rescheduling interrupts

IPI2: 0 0 Function call interrupts

IPI3: 231 173 Single function call interrupts

IPI4: 0 0 CPU stop interrupts

LOC: 196407 136995 Local timer interrupts

Err: 0

Ukupan broj prekida

cat /proc/stat | grep intr

intr 8190767 6092967 10377 0 1102775 5 2 0 …

Ukupan

broj

prekida

Prekidi

na IRQ1

Prekidi

na IRQ2

Prekidi

na IRQ3

...

Prototip obrađivača prekida

irqreturn_t foo_interrupt(int irq, void *dev_id)

irq, broj trenutnog prekida

dev_id, pokazivač koji služi kao identifikator odgovarajućeg uređaja (korisno kada isti modul obrađuje više uređaja). Isti pokazivač koji je prosleđen u pozivu devm_request_irq().

Povratna vrednost:

IRQ_HANDLED: prekid prepoznat i obrađen

IRQ_NONE: prekid nije na uređaju koji obrađuje ovaj modul. Korisno za deljene linije prekida i/ili obaveštavanje kernela o lažnim prekidima.

Zadatak obrađivača prekida

Potvrda prekida uređaju (u suprotnim prekidi više neće biti generisani ili će se generisati iznova i iznova)

Čitanje/pisanje podataka iz/u uređaj

Buđenje uspavanih procesa koji čekaju završetak operacije, tipično korišćenjem redova čekanja

wake_up_interruptible(&module_queue);

Prekidi unutar niti

U Linuksu 2.6.30, u kernel je dodata podrška za prekide unutar niti.

Obrađivač prekida se izvršava unutar niti.

Dozvoljava blokiranje obrade prekida, što je često neophodno za I2C/SPI uređaje jer obrađivač prekida treba da komunicira sa njima.

Omogućava postavljanje prioriteta izvršenja obrađivača prekida, što je korisno za upotrebu Linuksa u realnom vremenu

int devm_request_threaded_irq(

struct device *dev,

unsigned int irq,

irq_handler_t handler, irq_handler_t thread_fn

unsigned long flags, const char *name, void *dev);

handler, “hard IRQ” obrađivač

thread_fn, izvršava se kao nit

30

Podeljeno obrađivanje prekida (1/2)

Obrada prekida se često deli na dva dela

Gornja polovina

Prava obrada prekida, potvrđuje pojavu prekida

Treba da se završi što pre jer su svi prekidi onemogućeni

Manipuliše podacima iz uređaja vezanim za prekid i raspoređuje donji deo za obradu istih

Donja polovina

Generičko Linuks ime za različite mehanizme koji omogućavaju odlaganje obradu posla vezanim za prekide. U Linuksu se implementira kao softirqs, tasklet ili workqueues.

Podeljeno obrađivanje prekida (2/2)

Softirq prekidi

Softirq prekidi su oblik donje polovine obrade

Softirq obrađivači se izvršavaju sa omogućenim prekidima, i određeni softirq obrađivač može da se izvršava na više procesora istovremeno

Izvršavaju se kada su završene sve obrade prekida, pre nego što kernel nastavi raspoređivanje procesa, pa uspavljivanje unutar njih nije dozvoljeno.

Broj softirq prekida je fiksiran u sistemu, tako da softirq prekide ne koriste direktno rukovaoci, već ceo kernel podsistem (mrežni i sl)

Lista softirq prekida je definisan u include/linux/interrupt.h: HI, TIMER, NET_TX, NET_RX, BLOCK, BLOCK_IOPOLL, TASKLET, SCHED, HRTIMER, RCU

HI i TASKLET softirq prekdi se koriste za izvršavanje taskleta

33

Taskleti (1/2)

Taskleti se izvršavaju unutar HI i TASKLET softirq prekida. Izvršavaju se sa omogućenim prekidima, ali dati tasklet se garantovano izvršava na jednom procesoru u trenutku.

Tasklet može da se deklariše statički DECLARE_TASKLET() makroom ili dinamički tasklet_init() funkcijom. Tasklet se jednostavno predstavlja funkcijom. Taskleti se mogu jednostavno koristiti iz individualnih rukovaoca uređaja, za razliku od softirq prekida.

Obrađivač prekida može da rasporedi izvršenje taskleta pomoću

tasklet_schedule() da bi se izvršio sa TASKLET softirq

tasklet_hi_schedule() da bi se izvršio sa HI softirq (viši prioritet)

34

Taskleti (2/2)

Deklaracija taskleta u datoteci sa kodom modula

DECLARE_TASKLET(module_tasklet, // ime

module_do_tasklet,// funkcija

data // parametri

);

Raspoređivanje taskleta u gornjem delu obrade prekida

tasklet_schedule(&module_tasklet);

tasklet_hi_schedule(&module_tasklet);

Taskleti se izvršavaju odmah nakon završetka svih gornjih delova prekida

Primer taskleta: pojednostavljen atmel_serial.c (1/2)

36

/* The tasklet function */

static void atmel_tasklet_func(unsigned long data) {

struct uart_port *port = (struct uart_port *)data;

[...]

}

/* Registering the tasklet */

init function(...) {

[...]

tasklet_init(&atmel_port->tasklet,

atmel_tasklet_func, (unsigned long)port);

[...]

}

Primer taskleta: pojednostavljen atmel_serial.c (2/2)

37

/* Removing the tasklet */

cleanup function(...) {

[...]

tasklet_kill(&atmel_port->tasklet);

[...]

}

/* Triggering execution of the tasklet */

somewhere function(...) {

tasklet_schedule(&atmel_port->tasklet);

}

Workqueues

Workqueues predstavljaju generički mehanizam za odlaganje posla. Upotreba nije ograničena samo na obradu prekida.

Funkcija registrovana kao workqueue se izvršava unutar niti, što znači:

Svi prekidi su omogućeni

Uspavljivanje je dozvoljeno

workqueue se registruje pomoću INIT_WORK() i tipično pokreće pomoću queue_work()

Potpun API u include/linux/workqueue.h nudi još mnogo drugih mogućnosti (stvaranje sopstvenih workqueue niti, itd).

38

Onemogućavanje prekida

Može biti korisno u regularnom rukovaocu

Obezbeđivanje da obrađivač prekida neće istisnuti kod rukovaoca

Onemogućavanje prekida na lokalnom procesoru unsigned long flags;

local_irq_save(flags); // Prekidi onemogućeni

...

local_irq_restore(flags); // Prekidi vraćeni na

prethodno stanje

Mora biti pozvano iz iste funkcije

Maskiranje linije prekida

Korisno za onemogućavanje prekida na određenoj liniji

void disable_irq(unsigned int irq);

onemogućava liniju irq za sve procesore u sistemu

čeka da se završe sve obrade prekida koje su već pokrenute

void disable_irq_nosync(unsigned int irq);

Isto, samo što ne čeka kraj obrada

void enable_irq(unsigned int irq);

Omogućava prekide na liniji irq

void synchronize_irq(unisgned int irq);

Čeka kraj obrada prekida koje su u toku

Provera statusa prekida

Korisno za kod koji se može izvršavati i iz konteksta prekida i procesa kako bi se znalo da li su akcije koje mogu dovesti do uspavljivanja dozvoljene

irq_disabled()

Provera da li su prekidi onemogućeni

in_interrupt()

Da li se kod izvršava u kontekstu izuzetka?

in_irq()

Da li se kod izvršava u kontekstu obrađivača prekida?

Pregled prekida i obrađivača prekida

Rukovaoc uređajem

Registracija obrađivača prekida pri prvom pozivanju opreacije open nad uređajem

Obrađivač prekida

Poziva se kada se desi prekid

Potvrđuje prekid

Ukoliko je potrebno kreira tasklet za obradu podataka

Budi uspavane procese koji čekaju na podatke

Tasklet

Obrađuje podatke

Budi uspavane procese koji čekaju na podatke

Rukovaoc uređajem

Odregistracija obrađivača prekida kada uređaj više nije otvoren