Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg  /   Technische Fakultät  /   Department Informatik

Übungen zu BS - Dokumentation Aufgabe 2 (WS 2015/16)

Aufgabe 2: Interruptbehandlung für OOStuBS/MPStuBS

Lernziele

  • Behandlung asynchroner Ereignisse
  • Problematik und Schutz kritischer Abschnitte

Aufgabenbeschreibung

Es soll eine einfache Interruptbehandlung für die Unterbrechungen durch die Tastatur vorgesehen werden.

Hierzu müssen die Klassen IOAPIC, Plugbox, Gate, Panic, Keyboard sowie die Funktion guardian() implementiert werden. Die Klassen CPU und LAPIC sind in der Vorgabe enthalten.

Um die entsprechenden Geräte überall in OOStuBS/MPStuBS nutzen zu können, sollen von den Klassen Plugbox, IOAPIC und Keyboard globale Instanzen der Objekte namens plugbox, ioapic und keyboard angelegt werden. Ein globales Objekt lapic der Klasse LAPIC exisiert schon, da dieses während des Startupvorganges benötigt wird (wenn man dieses benutzen möchte, reicht also eine extern Deklaration des Objekts).

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Klassenübersicht für Aufgabe 2

Implementierungshinweise

Teil A

Im ersten Schritt sollte die Klasse IOAPIC implementiert werden. Mit Hilfe der Klassen IOAPIC, LAPIC und CPU können Unterbrechungen von der Tastatur zugelassen und behandelt werden (während des Boot-Vorgangs wurden bei der CPU und beim I/O-APIC alle Unterbrechungen ausmaskiert). Wenn dies funktioniert, müsste automatisch bei jedem Drücken und Loslossen einer Taste die Funktion guardian() aktiviert werden, da die Interruptvektortabelle im Startup-Code entsprechend initialisiert wurde. Mit einer Ausgabe in guardian() kann Aufgabenteil A leicht getestet werden - zumindestens einige Male. Wenn die Zeichen nicht vom Tastaturcontroller abgeholt werden, läuft der Tastaturpuffer irgendwann voll. Sobald der Puffer voll ist, sendet der Tastaturcontroller jedoch keine Interrupts mehr. Deshalb kann es durchaus passieren, dass ihr zunächst nur für ein oder zwei Tastendrücke Interrupts bekommt.

Tipps

  • Während der Behandlung einer Unterbrechung braucht ihr euch um unerwünschte Interrupts nicht zu sorgen. Der Prozessor schaltet diese nämlich automatisch aus, wenn er mit der Behandlung beginnt und lässt sie erst wieder zu, wenn die Unterbrechungsbehandlung mit der Assembleranweisung iret beendet wird. Das entspricht der letzten schließenden Klammer der guardian()-Implementierung.
  • Eure Interruptverarbeitung kann natürlich nur funktionieren, wenn OOStuBS/MPStuBS auch läuft. Sobald OOStuBS/MPStuBS die main()-Funktion verlässt, ist das Verhalten bei Auftreten eines Interrupts undefiniert. Ein Betriebssystem sollte halt nicht plötzlich enden :). Explizit für MPStuBS gilt dies auch für die main_ap() Funktion, die von den Applikationsprozessoren ausgeführt wird.
  • In einem modernen PC geschiet die Interruptverarbeitung durch ein Zusammenspiel des I/O-APICs, an welchen die externen Geräte angeschlossen sind, mit den in jeder CPU integrierten Local APICs. Um euch das Leben zu vereinfachen, ist die Implementierung der Klasse LAPIC(Local APIC) in der Vorgabe enthalten. Darüberhinaus sorgt der Startupcode dafür, dass der Local APIC in einem definierten Zustand ist, so dass bei korrekter Implementierung der IOAPIC-Klasse die Interruptbehandlung funktionieren müsste.
  • Laut Spezifikation des Local APICs ist es notwendig die Bearbeitung eines jeden Interrupts zu bestätigen. Dies ist durch Aufruf der Methode LAPIC::ackIRQ(), die schon in der Vorgabe enthalten ist, möglich.

Teil B

Im zweiten Schritt wird eine Infrastruktur geschaffen, um die Unterbrechungsbehandlung an ein zugeordnetes Gerätetreiberobjekt weiterzuleiten. Zur Verwaltung von Treiberobjekten dient die Klasse Plugbox, die für jeden möglichen Interrupt einen Zeiger auf ein Gate-Objekt bereithält. Gate ist eine abstrakte Klasse, die die Schnittstelle aller Interrupt-behandelnden Treiber beschreibt. Initial werden alle Zeiger der Plugbox so gesetzt, dass sie auf ein globales Panic-Objekt verweisen.

Teil C

Hier soll die Klasse Keyboard implementiert werden. Sie stellt den eigentlichen Tastaturtreiber dar. Die Unterbrechungen, die die Tastatur auslöst, müssen abgefangen und interpretiert werden. Als Ergebnis sollen nach jedem Tastendruck die entsprechenden Zeichen auf ihrer eigenen Zeile auf dem Bildschirm dargestellt werden. Die Tastenkombination "Ctrl-Alt-Delete" soll einen Reboot auslösen.

Teil D

In Teil D soll das Testprogramm an die Interruptverarbeitung angepasst werden.

OOStuBS

Schreibt ein Testprogramm in Application::action(), das von main() aus aufgerufen wird. Dieses soll in einer Endlosschleife Ausgaben (beispielsweise ein int-Zähler) mit Hilfe von CGA_Screen::setpos() und den Streamoperatoren von O_Stream an einer festen Position im kout-Objekt erzeugen. Es sollte nun möglich sein, durch das Drücken von Tasten die Ausgabe "durcheinander" bringen zu können. Überlegt euch, was dabei passiert, warum es passiert, und vermeidet das Problem mit Hilfe der Methoden der Klasse CPU.

MPStuBS

In MPStuBS sollen im Hauptprogramm aller CPUs Ausgaben an verschiedenen Stellen des Bildschirms mit Hilfe des globalen kout Objekts durchgeführt werden (CGA_Screen::setpos() verwenden!). Hier braucht man nicht einmal Interrupts, um die Ausgabe durcheinander zu bringen (Warum?). Zur Vermeidung des Problems reichen die Methoden der Klasse CPU alleine nicht aus. Deshalb soll hier noch zusätzlich die Klasse Spinlock (optional auch Ticketlock) implementiert werden, um parallele Kontrollflüsse zu synchronisieren. Was muss bei der Verwendung des Spinlocks beachtet werden? Welche Probleme können dabei auftreten?

Vorgaben

Die Implementierung der Klassen CPU und LAPIC haben wir bereits für euch übernommen. Für die eigentliche Tastaturabfrage könnt ihr eure Klasse Keyboard_Controller aus Aufgabe 1 wiederverwenden.

Hilfestellung

Externe Interrupts in modernen PCs - Interruptbehandlung mit Hilfe der APIC-Architektur