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x86体系下Linux中的任务切换与TSS

tss的作用举例:保存不同特权级别下任务所使用的寄存器,特别重要的是esp,因为比如中断后,涉及特权级切换时(一个任务切换),首先要切换栈,这个栈显然是内核栈,那么如何找到该栈的地址呢,这需要从tss段中得到,这样后续的执行才有所依托(在x86机器上,c语言的函数调用是通过栈实现的)。只要涉及地特权环到高特权环的任务切换,都需要找到高特权环对应的栈,因此需要esp2,esp1,esp0起码三个esp,然而Linux只使用esp0。


tss是什么:tss是一个段,段是x86的概念,在保护模式下,段选择符参与寻址,段选择符在段寄存器中,而tss段则在tr寄存器中。


intel的建议:为每一个进程准备一个独立的tss段,进程切换的时候切换tr寄存器使之指向该进程对应的tss段,然后在任务切换时(比如涉及特权级切换的中断)使用该段保留所有的寄存器。


Linux的做法:


1.Linux没有为每一个进程都准备一个tss段,而是每一个cpu使用一个tss段,tr寄存器保存该段。进程切换时,只更新唯一tss段中的esp0字段到新进程的内核栈。


2.Linux的tss段中只使用esp0和iomap等字段,不用它来保存寄存器,在一个用户进程被中断进入ring0的时候,tss中取出esp0,然后切到esp0,其它的寄存器则保存在esp0指示的内核栈上而不保存在tss中。


3.结果,Linux中每一个cpu只有一个tss段,tr寄存器永远指向它。符合x86处理器的使用规范,但不遵循intel的建议,这样的后果是开销更小了,因为不必切换tr寄存器了。


Linux的实现:


1.定义tss:
struct tss_struct init_tss[NR_CPUS] __cacheline_aligned = { [0 … NR_CPUS-1] = INIT_TSS };(arch/i386/kernel/init_task.c)
INIT_TSS定义为:
#define INIT_TSS  {                            \
    .esp0        = sizeof(init_stack) + (long)&init_stack,    \
    .ss0        = __KERNEL_DS,                    \
    .esp1        = sizeof(init_tss[0]) + (long)&init_tss[0],    \
    .ss1        = __KERNEL_CS,                    \
    .ldt        = GDT_ENTRY_LDT,                \
    .io_bitmap_base    = INVALID_IO_BITMAP_OFFSET,            \
    .io_bitmap    = { [ 0 … IO_BITMAP_LONGS] = ~0 },        \
}

2.初始化tss:
struct tss_struct * t = init_tss + cpu;

load_esp0(t, thread);
set_tss_desc(cpu,t);
cpu_gdt_table[cpu][GDT_ENTRY_TSS].b &= 0xfffffdff;
load_TR_desc();
相关函数或者宏为:
#define load_TR_desc() __asm__ __volatile__(“ltr %%ax”::”a” (GDT_ENTRY_TSS*8))
static inline void __set_tss_desc(unsigned int cpu, unsigned int entry, void *addr)
{
    _set_tssldt_desc(&cpu_gdt_table[cpu][entry], (int)addr,
        offsetof(struct tss_struct, __cacheline_filler) – 1, 0x89);
}

#define set_tss_desc(cpu,addr) __set_tss_desc(cpu, GDT_ENTRY_TSS, addr)
经过上述的初始化,tr永远指向唯一的tss段,然而tss段中的esp0以及iomap却是不断随着进程切换而变化的。
3.进程切换时切换全局唯一tss段中的esp0以及iomap即可:
在__switch_to中:
struct tss_struct *tss = init_tss + cpu;

load_esp0(tss, next);
从而改变了tss的esp0。
此时如果进程在用户态被中断,机器切到ring0,从tr中取出唯一的tss段,找到它的esp0,将堆栈切过去即可,然后把所有的其它寄存器都保存在tss当前的esp0指示的内核也就是ring0的堆栈上。

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