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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：

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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。