Linux内核13_1-进程切换是对FPU单元的处理_X86

每一种技术的出现必然是因为某种需求。正因为人的本性是贪婪的，所以科技的创新才能日新月异。

1 简介

从英特尔80486DX开始，算术浮点单元（FPU）就已经被集成到CPU中了。但是之所以还继续使用数学协处理器，是因为以前使用专用芯片进行浮点运算，所以这算是旧习惯的沿用吧。为了与旧CPU架构模型兼容，指令的使用方式与整数运算一样，只是使用了转义指令，也就是在原有的指令基础上加上前缀，组成新的指令，这些前缀的范围是0xd8-0xdf。使用这些指令可以操作CPU中的浮点寄存器。很显然，使用这些浮点运算指令的进程在进程切换的时候，需要保存属于它的硬件上下文中的浮点寄存器内容。

随后的奔腾系列处理器，因特尔引入了一组新的汇编指令。它们被称为MMX指令，用来支持多媒体应用的加速执行。MMX指令也是作用于FPU单元的浮点寄存器。这样的设计缺点是，内核开发者无法混合使用转义浮点指令和MMX指令；优点是内核开发者可以使用相同的进程切换代码来保存浮点单元和MMX的状态。

MMX指令之所以能够加速多媒体应用的执行，是因为它们在处理器中专门引入了单指令多数据（SIMD）指令流水线。奔腾III扩展了SIMD指令：引入了SSE扩展（单指令多数据流扩展），包含8个128位的寄存器，称为XMM寄存器，通过它们可以大大增加浮点数的处理。这些寄存器是独立的，和FPU和MMX寄存器没有重叠，所以SSE扩展和FPU/MMX指令可以混合使用。奔腾4又又引入了新的扩展：SSE2扩展，是在SSE基础上的扩展，支持更高精度的浮点数。SSE2扩展和SSE扩展使用相同的XMM寄存器。

X86微处理器不会自动在TSS中保存FPU、MMX和XMM寄存器。但是，从硬件上，支持内核只保存所需要的寄存器。具体方法就是在cr0寄存器中包含一个TS（任务切换）标志，标志设置的时机如下所示：

• 每次执行硬件上下文切换，TS标志被置。
• 每次执行ESCAPE、MMX、SSE或SSE2指令，同时TS标志被置，则控制单元就会发出Device not available的异常。

从上面可以看出，只有执行浮点运算的时候才需要保存FPU、MMX和XMM相关寄存器。假设进程A正在使用协处理器，当进程A切换到进程B的时候，内核设置TS标志，且把浮点寄存器保存到进程A的任务状态段（TSS）中。如果进程B没有使用协处理器，内核不需要恢复浮点寄存器的内容。但只要进程B想要执行浮点运算或多媒体指令，CPU就会发出Device not available异常，这个异常对应的处理程序就会把浮点寄存器中的值加载到进程B的TSS段中。

2 FPU相关数据结构

Linux内核是使用什么数据结构表示FPU、MMX和XMM这些需要保存的寄存器值呢？基于x86架构的Linux内核使用i387_union类型的变量thread.i387存储这些值，该变量位于进程描述符中。i387_union如下所示：

union i387_union {
    struct i387_fsave_struct fsave;
    struct i387_fxsave_struct fxsave;
    struct i387_soft_struct soft;
};

如代码所示，这个联合体包含三个不同类型的数据结构。没有协处理器的CPU模型使用i387_soft_struct类型数据结构，这是Linux为了兼容那些使用软件模拟协处理器的旧芯片。故我们在此，不做过多描述。带有协处理器和MMX单元的CPU模型使用i387_fsave_struct数据类型。带有SSE和SSE2扩展的CPU模型使用i387_fxsave_struct数据类型。

除此之外，进程描述符还包含另外2个标志：

• TS_USEDFPU标志 位于thread_info描述符的status成员中。表示正在进行的进程是否使用FPU、MMX或XMM寄存器。
• PF_USED_MATH标志 位于task_struct描述符中的flags成员中。表示存储在thread.i387中的数据是否有意义。该标志被清除的时候有两种情况：
  • 调用execve()系统调用，启动新进程的时候。因为控制单元绝不会再返回到之前的程序中，所以存储在thread.i387中的数据就没有了意义。
  • 用户态正在执行的程序开始执行信号处理程序的时候。因为信号处理程序相对于正在执行的程序流来说是异步的，此时的浮点寄存器对于信号处理程序也就没有了意义。但是需要内核为进程保存thread.i387中的浮点寄存器值，等到信号处理程序终止时再恢复这些寄存器值。也就是说，允许信号处理程序使用协处理器。

2 保存FPU寄存器

我们在分析进程切换的时候，知道主要的工作都是在__switch_to()宏中完成的。而在__switch_to()宏中，执行__unlazy_fpu宏，并将先前进程的进程描述符作为参数进行传递。这个宏会检查旧进程的TS_USEDFPU标志：如果标志被设置，说明旧进程使用了FPU、MMX、SSE或SSE2指令。因此，内核必须保存相关的硬件上下文，如下所示：

if (prev->thread_info->status & TS_USEDFPU)
    save_init_fpu(prev);

函数save_init_fpu()完成保存这些寄存器的基本工作，如下所示：

1. 将FPU寄存器的内容保存到旧进程的描述符中，然后重新初始化FPU。如果CPU还使用了SSE/SSE2扩展，还需要保存XMM寄存器的内容，然后重新初始化SSE/SSE2单元。下面的2条GNU伪汇编语言实现： asm volatile( "fxsave %0 ; fnclex" : "=m" (prev->thread.i387.fxsave) ); 开启SSE/SSE2扩展，使用下面这条汇编语言： asm volatile( "fnsave %0 ; fwait" : "=m" (prev->thread.i387.fsave) );
2. 清除旧进程的TS_USEDFPU标志： prev->thread_info->status &= ~TS_USEDFPU;
3. 设置cr0协处理器的TS标志。使用stts()宏实现，该宏转换成汇编语言如下所示： movl %cr0, %eax orl $8,%eax movl %eax, %cr0

4 加载FPU寄存器

新进程恢复执行的时候，浮点寄存器不能立即恢复。但是通过__unlazy_fpu()宏已经设置了cr0协处理器中的TS标志。所以，新进程第一次尝试执行ESCAPE、MMX或SSE/SSE2指令的时候，控制单元就会发出Device not available异常，内核中相关的异常处理程序就会执行math_state_restore()函数加载浮点寄存器等。新进程被标记为当前进程。

void math_state_restore()
{
    asm volatile ("clts");  /* 清除TS标志 */
    if (!(current->flags & PF_USED_MATH))
        init_fpu(current);
    restore_fpu(current);
    current->thread.status |= TS_USEDFPU;
}

该函数还会清除TS标志，以至于后来再执行FPU、MMX或SSE/SSE2指令的时候，不会再发出Device not available异常。如果PF_USED_MATH标志等于0，说明thread.i387中的内容没有意义了，init_fpu()就会复位thread.i387，并设置当前进程的PF_USED_MATH为1。然后，restore_fpu()就会把正确的值加载到FPU寄存器中。这个加载过程需要调用汇编指令fxrstor或frstor，使用哪一个取决于CPU是否支持SSE/SSE2扩展。最后，设置TS_USEDFPU标志，表示使用了浮点运算单元。

5 在内核中使用FPU、MMX和SSE/SSE2单元

当然了，内核中也可以使用FPU、MMX或SSE/SSE2硬件单元（虽然，大部分时候没有意义）。这样做的话，应该避免干扰当前用户进程执行的任何浮点运算。因此：

• 在使用协处理器之前，内核必须调用kernel_fpu_begin()，继而调用save_init_fpu()，保存用户进程的浮点相关寄存器的内容。然后，清除cr0协处理器中的TS标志。
• 使用完了之后，内核必须调用kernel_fpu_end()，设置TS标志。

之后，如果用户进程再执行协处理器指令的时候，math_state_restore()就会像进程切换时那样，恢复这些寄存器的内容。

但是，需要特别指出的是，如果当前用户进程正在使用协处理器时，kernel_fpu_begin()的执行时间相当长，甚至抵消了使用FPU、MMX或SSE/SSE2这些硬件单元带来的加速效果。事实上，内核只在几处地方使用它们，通常是搬动或清除大内存块或当计算校验的时候。