x86体系下linux中的任务切换与TSS

内容导读

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内容图文

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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内容总结

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