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Gestionnaire d'interruptions et application multi-tâches en temps partagé

Cette page décrit la séance complète : partie TD et partie TP. Elle commence par la partie TD avec des questions ou des exercices à faire sur papier, réparties dans 4 sections. Certaines questions de sections différentes sont semblables, c'est normal, cela vous permet de réviser. Puis, dans la partie TP, il y a des questions sur le code avec quelques exercices de codage simples à écrire et à tester sur le prototype. La partie TP est découpée en 3 étapes. Pour chaque étape, nous donnons (1) une brève description avec une liste des objectifs principaux de l'étape, (2) une liste des fichiers avec un bref commentaire sur chaque fichier, (3) une liste de questions simples dont les réponses sont dans le code, le cours ou le TD et enfin (4) un petit exercice de codage.

IMPORTANT
Avant de faire cette séance, vous devez avoir lu les documents suivants :

• Cours sur le gestionnaire d'interruption et les threads : obligatoire
• Document sur l'assembleur du MIPS et la convention d'appel des fonctions : recommandé, mais déjà lu
• Documentation sur le mode kernel du MIPS32 : obligatoire

A. Travaux dirigés

Rappel de cours

Il est fortement recommandé de lire les transparents, toutefois, nous avons ajouté ci-après quelques rappels utiles pour répondre aux questions du TD.

Les IRQ (Interrupt ReQuest)s sont des signaux électriques à 2 états (ON/OFF ou Actif/Inactif ou encore Levé/Baissé). Les IRQ sont levés par les contrôleurs de périphériques pour prévenir d'un événement (fin de commande, arrivée d'une donnée, etc.). Les IRQs provoquent l'exécution d'ISR (Interrupt Service Routine) par le noyau. Les ISR sont des fonctions qui reçoivent en argument un identifiant du contrôleur de périphérique qui a levé l'IRQ. Une ISR doit faire deux choses, (1) accéder aux registres du contrôleur de périphérique concerné pour faire ce que le périphérique demande et (2) acquitter l'IRQ, c'est-à-dire demander au contrôleur de périphérique de baisser/désactiver son IRQ (puisque celle-ci a été traitée).

Les IRQ sont des signaux d'état qui doivent rester levés/activés tant qu'ils n'ont pas été acquittés par une ISR. Quand une IRQ se lève, la conséquence est que le programme en cours d'exécution sur le processeur recevant l'IRQ est interrompu et qu'il est dérouté vers le noyau pour que ce dernier exécute l'ISR prévue pour l'IRQ. Notez que ce n'est pas le processeur qui est interrompu, c'est bien le programme, car le processeur est seulement dérouté vers le noyau, mais il continue à travailler.

Sur le schéma de la plateforme des TP, on peut voir que ce sont seulement les composants TTY et TIMER qui peuvent lever des IRQ. Les IRQ de ces contrôleurs de périphériques sont envoyés au composant ICU qui va les combiner pour produire un unique signal IRQ pour le processeur.

Une IRQ peut être masquée, c'est-à-dire que le processeur ne va pas interrompre le programme en cours. Le masquage peut être demandé à plusieurs endroits : dans le composant ICU et dans le processeur lui-même. Le masquage est demandé par le noyau, le plus souvent de manière temporaire, quand il doit exécuter un code critique qui ne doit surtout pas être interrompu.

Sur le schéma ci-dessu:s, on voit que l'IRQ du TTY0 entre sur l'entrée n°10 de l'ICU, c'est un choix matériel qui n'est pas modifiable par logiciel. Son état est donc enregistré dans le bit n°10 du registre ICU_STATE. Il y a un AND avec le bit 10 du registre ICU_MASK. Si le bit 10 du registre ICU_MASK est à 0, alors la sortie du AND est 0 et l'IRQ est masquée (donc invisible pour le processeur). Le registre ICU_HIGHEST contient toujours le numéro de l'IRQ active la plus prioritaire, comme il n'y en a qu'une dans cet exemple, ICU_HIGHEST contient 10. L'IRQ de l'ICU entre sur l'entrée 0 des 6 IRQs possibles du MIPS et sa valeur s'inscrit dans le registre HWI0 du registre C0_CAUSE. Il y a un AND avec le bit HWI0 du registre C0_STATUS. Si le bit HWI0 du registre C0_STATUS est à 0, alors la sortie du AND est 0 et l'IRQ est aussi masquée. Enfin, il y a encore un AND qui permet de masquer globalement les IRQ avec le bit 0 de C0_STATUS (c'est le bit IE pour Interrupt Enable) et le NOT du bit 1 de C0_STATUS (c'est le bit EXL EXception Level).

Quand le signal IRQ vue par le MIPS s'active (passe à 1), c'est que l'IRQ levée par le contrôleur de périphérique doit être prise en charge. Le programme en cours est interrompu et dérouté vers kentry à l'adresse 0x80000180 et en même temps C0_EPC ← PC+4, C0_CAUSE.XCODE ← 0, C0_STATUS.EXL ← 1. Notez que le nom officiel de C0_STATUS est C0_SR mais dans ce document, on utilise C0_STATUS pour plus de clarté.

Dans le schéma précédent, à gauche c'est le matériel et à droite c'est un extrait de la RAM contenant les structures de données utilisées par le noyau.

• À gauche, on voit que les IRQ venant des contrôleurs de périphériques sont connectés aux entrées d'IRQ de l'ICU. Il y a 32 entrées possibles. Sur notre plateforme, par exemple l'IRQ du TTY2 est connectée à l'entrée 12 de l'ICU. Ce numéro d'entrée est le numéro qui identifie le contrôleur de périphérique. Notez que le registre ICU_MASK est en lecture seul, c'est-à-dire qu'il ne peut pas être écrit directement. Pour modifier le contenu du registre ICU_MASK, il faut utiliser deux autres registres de l'ICU: ICU_SET et ICU_CLEAR. ICU_SET permet de mettre à 1 les bits de ICU_MASK, et ICU_CLEAR permet de les mettre à 0. Pour mettre à 1 le bit i du registre ICU_MASK, il faut écrire 1 dans le bit i du registre ICU_SET. Pour mettre à 0 le bit j du registre ICU_MASK, il faut aussi écrire 1 mais dans le bit j du registre ICU_CLEAR.
  
  
• À droite, il y a les deux tableaux que le noyau utilise pour connaitre l'ISR à exécuter pour chaque numéro IRQ. Ce couple de tableaux se nomme vecteur d'interruption. Ici, il est composé des tableaux IRQ_VECTOR_ISR[] et IRQ_VECTOR_DEV[]. Le vecteur d'interruption est indexé par les numéros d'IRQ. Il contient deux informations: (1) Dans la case n°i du tableau IRQ_VECTOR_ISR[], on trouve le pointeur sur la fonction ISR a appeler si l'IRQ n°i est levée, et (2) dans la case n°i du tableau IRQ_VECTOR_DEV[], on trouve le numéro de l'instance du périphérique. Cette dernière information est nécessaire dans le cas des contrôleurs de périphérique multi-instances comme le TTY afin de savoir quel jeu de registres la fonction ISR doit utiliser. En d'autres termes, Il y a une fonction ISR unique quelque-soit le numéro du TTY, l'adresse de cette fonction est placée dans les cases 10, 11, 12, et 13 du tableau IRQ_VECTOR_ISR[] (si on a 4 TTYs) et dans les cases 10, 11, 12, et 13 du tableau IRQ_VECTOR_DEV[], on a 0, 1, 2 et 3 qui correspondent bien au numéro d'instance des TTYs.

Sur le schéma précédent, nous vous rappelons les 3 registres du coprocesseur système qui sont utilisés au moment de l'entrée dans le noyau, quelque soit la cause : syscall (vu la semaine dernière), interruption (TD de cette semaine) et exception (dans le cas de problèmes lors de l'exécution du programme comme la division par 0). On voit aussi que les seules instructions qui peuvent manipuler ces registres sont mtc0 et mfc0 pour, respectivement, les écrire et les lire.

Les bits HWI0 des registres C0_STATUS (aussi nommé c0_sr) et C0_CAUSE contiennent respectivement le mask et le l'état de l'entrée n°0 d'interruption du MIPS. Les bits UM, IE et EXL sont liés au mode d'exécution du MIPS: UM est le bit de mode du MIPS (1=User Mode, 0=Kernel Mode), IE est le bit de masque général des interruptions (1=autorisées, 0=masquées) et enfin EXL est le bit que le MIPS met à 1 à l'entrée dans le noyau pour informer d'un niveau exceptionnel et dans ce cas les bits UM et IE ne sont plus significatifs, si EXL est à 1 alors le MIPS est en mode kernel, interruptions masquées.

A.1. Questions de cours

La majorité des réponses aux questions ci-après sont dans le rappel du cours donné au début de cette page, c'est voulu.

Questions de cours sur les interruptions

1. Que signifie l'acronyme I.R.Q. ?
2. Une IRQ est un signal électrique, combien peut-il avoir d'états ?
3. Qu'est-ce qui provoque une IRQ ?
4. Les IRQ relient des composants source et des composants destinataires, quels sont ces composants ? Donnez un exemple.
5. Que signifie masquer une IRQ ?
6. Quels composants peuvent masquer une IRQ ?
7. Est-ce qu'une application utilisateur peut demander le masquage d'une IRQ ?
8. Que signifie l'acronyme I.S.R. ?
9. Dans la plateforme des TPs, sur quelles entrées de l'ICU sont branchées les IRQ venant des TTYs et du TIMER ?
10. Quelle valeur mettre dans le registre ICU_MASK si on veut recevoir seulement les IRQ venant des 4 TTYs, dans le cas de la plateforme utilisée en TP ? Donnez le nombre en binaire et en hexadécimal.
11. L'écriture dans ICU_MASK n'est pas possible, comment modifier ce registre pour mettre à 1 le bit 0 ?
12. Dans quel mode est le processeur quand il traite une IRQ ?
13. Que fait le processeur lorsqu'il reçoit une IRQ masquée ?
14. Que signifie acquiter une IRQ et qui le demande à qui ?
15. Est-ce qu'une IRQ peut se désactiver sans intervention du processeur ?
16. Est-ce qu'une IRQ peut ne pas être attendue par le noyau ?
17. Quelle est la valeur du champ XCODE du registre c0_cause à l'entrée dans le noyau en cas d'interruption ?
18. Quelle est la valeur écrite dans le registre c0_EPC à l'entrée dans le noyau en cas d'interruption ?
19. Que se passe-t-il dans le registre c0_sr à l'entrée dans le noyau en cas d'interruption et quelle est la conséquence ?
20. Le routine kentry (entrée du kernel à l'adresse 0x80000180) appelle le gestionnaire d'interruption quand le MIPS reçoit une IRQ non masquée, que fait ce gestionnaire d'interruption ?
21. À l'entrée dans le noyau, kentry analyse le champ XCODE du registre de c0_cause et si c'est 0 alors il saut au code donné ci-après (ce n'est pas exactement le code que vous pouvez voir dans les fichiers source pour que ce soit plus facile à comprendre).

    cause_irq:
        addiu   $29,    $29,    -23*4       // 23 registers to save (18 tmp regs+HI+LO+$31+EPC+SR)
        mfc0    $27,    $14                 // $27 <- EPC (addr of syscall instruction)
        mfc0    $26,    $12                 // $26 <- SR (status register)
        sw      $31,    22*4($29)           // $31 because, it is lost by jal irq_handler
        sw      $27,    21*4($29)           // save EPC (return address of IRQ)
        sw      $26,    20*4($29)           // save SR (status register)
        mtc0    $0,     $12                 // SR <- kernel-mode without INT (UM=0 ERL=0 EXL=0 IE=0)
        sw      $1,     1*4($29)            // save all temporary registers including HI and LO
        sw      $2,     2*4($29)            
        [etc.]                              
    
        jal     irq_handler                 // call the irq handler fontion écrite en C
    
        lw      $1,     1*4($29)            // restore all temporary registers including HI and LO
        lw      $2,     2*4($29)
        [etc.]   
        lw      $26,    20*4($29)           // get old SR
        lw      $27,    21*4($29)           // get return address of syscall
        lw      $31,    22*4($29)           // restore $31
        mtc0    $26,    $12                 // restore SR
        mtc0    $27,    $14                 // restore EPC
        addiu   $29,    $29, 23*4           // restore the stack pointer
        eret                                // jr C0_EPC AND C0_SR.EXL <= 0
    

    Pourquoi, ne pas sauver les registres persistants ?
22. La fonction irq_handler() a pour mission d'appeler la bonne ISR. Dans le code qui suit (extrait du fichier kernel/harch.c), on voit d'abord la déclaration de la structure qui décrit les registres présents dans l'ICU. En fait c'est un tableau de structure parce qu'il y a autant d'instance d'ICU que de processeurs (donné par NCPUS), ici, il y a un seul processeur MIPS, donc NCPUS=1.

    struct icu_s {
        int state;          // state of all IRQ signals
        int mask;           // IRQ mask to chose what we need for this ICU
        int set;            // IRQ set   --> enable specific IRQs for this ICU
        int clear;          // IRQ clear --> disable specific IRQs for this ICU
        int highest;        // highest pritority IRQ number for this ICU
        int unused[3];      // these 3 registers are not used
    }; 
    extern volatile struct icu_s __icu_regs_map[NCPUS];
    
    static int icu_get_highest (int icu) {
        return __icu_regs_map[icu].highest;
    }
    
    void irq_handler (void) {
        int irq = icu_get_highest (cpuid());       
        irq_vector_isr[irq] (irq_vector_dev[irq]);
    }
    
    static void icu_set_mask (int icu, int irq) {
        __icu_regs_map[icu].set = 1 << irq;
    }
    

    extern volatile struct icu_s __icu_regs_map[NCPUS]; informe le compilateur que le symbole __icu_regs_map est défini ailleurs et que c'est un tableau de structures de type struct icu_s. Ainsi, gcc sait comment utiliser cette variable __icu_regs_map.
23. Dans quel fichier est défini __icu_regs_map ?
24. Que fait la fonction icu_get_highest ?
25. Si ICU_HIGHEST contient 10 (dans le cas de notre plateforme) que doit faire la fonction irq_handler()
26. Que fait la fonction icu_set_mask (int icu, int irq) ?

Exercices

1. La configuration des périphériques et des interruptions dans la fonction arch_init() se fait Comment configurer l'ICU masquer l'IRQ connectée sur son entrée n°5 ?

[...]

TME sur les interruptions.

Ajout de l'ISR timer

Game Over

Dans le premier TME, vous avez réalisé un petit jeux dans lequel vous deviez deviner un nombre tirer au hasard. Ce jeu avait été mis dans kinit parce qu'a ce moment, il n'y avait pas encore d'application utilisateur. Nous vous proposons de mettre le jeu dans l'application user et de limiter le temps pendant lequel vous pouvez jouer.

Modifier l'ISR du timer pour afficher "Game Over"

[...]