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内核态使用FPU、MMX和XMM寄存器

https://www.cnblogs.com/wz19860913/archive/2010/05/25/1742583.html

保存和加载FPU、MMX和XMM寄存器

从Intel 80486DX开始,FPU(算术浮点单元)被集成到了CPU中,浮点算术功能用ESCAPE指令来执行,操纵CPU中的浮点寄存器集。显然,当一个进程正在使用ESCAPE指令,那么浮点寄存器的内容就属于它的硬件上下文。

为了加速多媒体程序的执行,Intel在微处理器中引入了新的指令集——MMX,MMX指令也作用于FPU的浮点寄存器。这样,MMX就不能和FPU指令混用,但是OS内核就可以忽略新的MMX指令集,因为保存浮点寄存器的功能代码也能够应用于MMX的状态。

MMX使用SIMD(单指令多数据)流水线,Pentium III增强了这种SIMD能力,引入SSE(Streaming SIMD Extensions)扩展。该功能增强了8个128位寄存器(XMM寄存器)的功能,这些寄存器不和FPU/MMX寄存器重叠,因此能够与FPU/MMX指令混用。

Pentium IV还引入了SSE2扩展,支持高精度浮点值,SSE2和SSE使用同一个XMM寄存器组。

80x86微处理器不在TSS中保存FPU、MMX和XMM寄存器的值,不过还是提供了一些支持,能够在需要时保存它们。cr0寄存器有一个TS(Task-Switching)标志位,每当执行硬件上下文切换时,TS置位,每当TS被置位后进程执行ESCAPE、MMX、SSE或SSE2指令,控制器就产生一个“Device not available”异常。这样,TS标志位就能够让OS内核只有在真正需要时才保存或恢复FPU、MMX和XMM寄存器。

假设进程A使用了数学协处理器,那么当进程A被切换出去的时候,内核设置TS并将浮点寄存器的内容保存到进程A的TSS中(原著这么写,但是应该是保存到进程A描述符的一个字段中,TSS是与CPU关联的,进程没有TSS)。

如果新进程B不使用数学协处理器,那么内核就不需要恢复浮点寄存器的内容,但是,一旦进程B执行FPU、MMX等指令,CPU就产生一个“Device not available”异常,相应的异常处理程序就会用保存在进程B中的相关值来恢复浮点寄存器。

处理FPU、MMX和XMM寄存器的数据结构存放在进程描述符的thread字段的i387子字段中(即thread.i387),由i387_union联合体描述,其格式如下:

1
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4
5
union i387_union {
	struct i387_fsave_struct    fsave; /* 保存FPU、MMX寄存器的内容 */
	struct i387_fxsave_struct   fxsave;/* 保存SSE和SSE2寄存器内容 */
	struct i387_soft_struct     soft;  /* 由无数学协处理器的老式CPU模型使用 */
};

此外,进程描述符中还包含了两个附加的标志:

thread_info结构中status字段的TS_USEDFPU标志,表示进程当前执行过程中是否使用过FPU、MMX和XMM寄存器。 task_struct结构的flags字段的PF_USED_MATH标志,表示thread.i387的内容是否有意义。

保存和加载FPU、MMX和XMM寄存器主要用到unlazy_fpu宏,该宏在switch_to函数中使用,下一篇会对其进行分析。

内核态使用FPU、MMX和XMM寄存器

OS内核也可以使用FPU、MMX和XMM寄存器,当然,这么做的时候应该避免干扰用户态进程。因此,Linux使用如下方法来解决:

在内核使用协处理器之前,如果用户态进程使用了FPU(TS_USEDFPU标志为1),内核就要调用kernel_fpu_begin()函数,该函数里又调用save_init_fpu()来保存寄存器内容,然后重新设置cr0寄存器的TS标志。 使用完协处理器之后,内核调用kernel_fpu_end宏设置cr0寄存器的TS标志。 当用户态进程恢复执行时,math_state_restore()函数将恢复FPU、MMX和XMM寄存器的内容。

需要注意的是,如果当前用户态进程有在用数学协处理器时,kernel_fpu_begin()函数的执行时间比较长,甚至无法通过FPU、MMX或XMM达到加速的目的。因此,内核只在有限的场合使用FPU、MMX或XMM指令,比如移动或清除大内存区字段、计算校验和等。