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FreeBSD 基礎建設 - Context Switch
by thinker
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FreeBSD
== Context Switch == 在 multi-tasking 的作業系統中，kernel 不斷的切換 CPU 於各個工作間。$FreeBSD$ kernel 以 thread 為工作的單位，透過不斷的切換，達成多工的目的。切換 thread 的過程，可以切割成三個步驟: # 選擇下一個 thread # 保存目前 thread 的狀態 # 切換到新的 thread 這裡不討論如何選擇下一個 thread，只討論保存和切換 thread 的方法。 下面是 $FreeBSD$ kernel 實作 context switch 的三個重要 function: * mi_switch(int flags, struct thread *newtd) /* in kern_synch.c */ * void sched_switch(struct thread *td, struct thread *newtd, int flags) /* in sched_*.c */ * void cpu_switch(struct thread *old, struct thread *new) /* in sys/proc.h , i386/i386/swtch.s */ === cpu_switch() === cpu_switch() 將 CPU 狀態儲存在 thread object 的 PCB 裡，並從 new thread 的 PCB 裡，將 CPU 狀態回復，以切換成 new thread 。由於 CPU 的不同，CPU 的狀態內容也不同，下面是 i386 定義的 PCB ，儲存 CPU 的 register 內容和 gs 和 fs 的 segment descriptor 。PCB 內容，於 kernel 其它部分而言，是一個黑盒子，不知其內容，只是將之視為一塊存放 CPU 狀態的記憶體。 {{{ struct pcb { int pcb_cr3; int pcb_edi; int pcb_esi; int pcb_ebp; int pcb_esp; int pcb_ebx; int pcb_eip; int pcb_dr0; int pcb_dr1; int pcb_dr2; int pcb_dr3; int pcb_dr6; int pcb_dr7; union savefpu pcb_save; u_int pcb_flags; #define FP_SOFTFP 0x01 /* process using software fltng pnt emulator */ #define PCB_DBREGS 0x02 /* process using debug registers */ #define PCB_NPXTRAP 0x04 /* npx trap pending */ #define PCB_NPXINITDONE 0x08 /* fpu state is initialized */ #define PCB_VM86CALL 0x10 /* in vm86 call */ caddr_t pcb_onfault; /* copyin/out fault recovery */ int pcb_gs; struct segment_descriptor pcb_fsd; struct segment_descriptor pcb_gsd; struct pcb_ext *pcb_ext; /* optional pcb extension */ int pcb_psl; /* process status long */ u_long pcb_vm86[2]; /* vm86bios scratch space */ }; }}} 下面程式碼，是取自 i386/i386/swtch.s ，儲存 CPU 狀態，包括所有 register 的內容。 {{{ ENTRY(cpu_switch) /* Switch to new thread. First, save context. */ movl 4(%esp),%ecx #ifdef INVARIANTS testl %ecx,%ecx /* no thread? */ jz badsw2 /* no, panic */ #endif movl TD_PCB(%ecx),%edx movl (%esp),%eax /* Hardware registers */ movl %eax,PCB_EIP(%edx) movl %ebx,PCB_EBX(%edx) movl %esp,PCB_ESP(%edx) movl %ebp,PCB_EBP(%edx) movl %esi,PCB_ESI(%edx) movl %edi,PCB_EDI(%edx) movl %gs,PCB_GS(%edx) pushfl /* PSL */ popl PCB_PSL(%edx) /* Test if debug registers should be saved. */ testl $$PCB_DBREGS,PCB_FLAGS(%edx) jz 1f /* no, skip over */ movl %dr7,%eax /* yes, do the save */ movl %eax,PCB_DR7(%edx) andl $$0x0000fc00, %eax /* disable all watchpoints */ movl %eax,%dr7 movl %dr6,%eax movl %eax,PCB_DR6(%edx) movl %dr3,%eax movl %eax,PCB_DR3(%edx) movl %dr2,%eax movl %eax,PCB_DR2(%edx) movl %dr1,%eax movl %eax,PCB_DR1(%edx) movl %dr0,%eax movl %eax,PCB_DR0(%edx) 1: #ifdef DEV_NPX /* have we used fp, and need a save? */ cmpl %ecx,PCPU(FPCURTHREAD) jne 1f addl $$PCB_SAVEFPU,%edx /* h/w bugs make saving complic$$ pushl %edx call npxsave /* do it in a big $C$ function */ popl %eax 1: #endif }}} 將 cr3 切換到新 thread 的 page table (page directory table) 。 {{{ /* Save is done. Now fire up new thread. Leave old vmspace. */ movl 8(%esp),%ecx /* New thread */ #ifdef INVARIANTS testl %ecx,%ecx /* no thread? */ jz badsw3 /* no, panic */ #endif movl TD_PCB(%ecx),%edx movl PCPU(CPUID), %esi /* switch address space */ movl PCB_CR3(%edx),%eax #ifdef PAE cmpl %eax,IdlePDPT /* Kernel address space? */ #else cmpl %eax,IdlePTD /* Kernel address space? */ #endif je sw1 movl %cr3,%ebx /* The same address space? */ cmpl %ebx,%eax je sw1 movl %eax,%cr3 /* new address space */ }}} 修改新舊 pmap 的 active CPU，舊的清成空 (沒有 active CPU)，新的設定成目前 CPU 。 {{{ /* Release bit from old pmap->pm_active */ movl PCPU(CURPMAP), %ebx #ifdef SMP lock #endif btrl %esi, PM_ACTIVE(%ebx) /* clear old */ /* Set bit in new pmap->pm_active */ movl TD_PROC(%ecx),%eax /* newproc */ movl P_VMSPACE(%eax), %ebx addl $$VM_PMAP, %ebx movl %ebx, PCPU(CURPMAP) #ifdef SMP lock #endif btsl %esi, PM_ACTIVE(%ebx) /* set new */ }}} 將 CPU 狀況恢復成新 thread 前一次執行的最後狀態 {{{ sw1: /* * At this point, we've switched address spaces and are ready * to load up the rest of the next context. */ cmpl $$0, PCB_EXT(%edx) /* has pcb extension? */ je 1f /* If not, use the default */ movl $$1, PCPU(PRIVATE_TSS) /* mark use of private tss */ movl PCB_EXT(%edx), %edi /* new tss descriptor */ jmp 2f /* Load it up */ 1: /* * Use the common default TSS instead of our own. * Set our stack pointer into the TSS, it's set to just * below the PCB. In $C$, common_tss.tss_esp0 = &pcb - 16; */ leal -16(%edx), %ebx /* leave space for vm86 */ movl %ebx, PCPU(COMMON_TSS) + TSS_ESP0 /* * Test this CPU's bit in the bitmap to see if this * CPU was using a private TSS. */ cmpl $$0, PCPU(PRIVATE_TSS) /* Already using the common? */ je 3f /* if so, skip reloading */ movl $$0, PCPU(PRIVATE_TSS) PCPU_ADDR(COMMON_TSSD, %edi) 2: /* Move correct tss descriptor into GDT slot, then reload tr. */ movl PCPU(TSS_GDT), %ebx /* entry in GDT */ movl 0(%edi), %eax movl 4(%edi), %esi movl %eax, 0(%ebx) movl %esi, 4(%ebx) movl $$GPROC0_SEL*8, %esi /* GSEL(GPROC0_SEL, SEL_KPL) */ ltr %si 3: /* Copy the %fs and %gs selectors into this pcpu gdt */ leal PCB_FSD(%edx), %esi movl PCPU(FSGS_GDT), %edi movl 0(%esi), %eax /* %fs selector */ movl 4(%esi), %ebx movl %eax, 0(%edi) movl %ebx, 4(%edi) movl 8(%esi), %eax /* %gs selector, comes straight after *$$ movl 12(%esi), %ebx movl %eax, 8(%edi) movl %ebx, 12(%edi) /* Restore context. */ movl PCB_EBX(%edx),%ebx movl PCB_ESP(%edx),%esp movl PCB_EBP(%edx),%ebp movl PCB_ESI(%edx),%esi movl PCB_EDI(%edx),%edi movl PCB_EIP(%edx),%eax movl %eax,(%esp) pushl PCB_PSL(%edx) popfl movl %edx, PCPU(CURPCB) movl %ecx, PCPU(CURTHREAD) /* into next thread */ /* * Determine the LDT to use and load it if is the default one and * that is not the current one. */ movl TD_PROC(%ecx),%eax cmpl $$0,P_MD+MD_LDT(%eax) jnz 1f movl _default_ldt,%eax cmpl PCPU(CURRENTLDT),%eax je 2f lldt _default_ldt movl %eax,PCPU(CURRENTLDT) jmp 2f 1: /* Load the LDT when it is not the default one. */ pushl %edx /* Preserve pointer to pcb. */ addl $$P_MD,%eax /* Pointer to mdproc is arg. */ pushl %eax call set_user_ldt addl $$4,%esp popl %edx 2: /* This must be done after loading the user LDT. */ .globl cpu_switch_load_gs cpu_switch_load_gs: movl PCB_GS(%edx),%gs /* Test if debug registers should be restored. */ testl $$PCB_DBREGS,PCB_FLAGS(%edx) jz 1f /* * Restore debug registers. The special code for dr7 is to * preserve the current values of its reserved bits. */ movl PCB_DR6(%edx),%eax movl %eax,%dr6 movl PCB_DR3(%edx),%eax movl %eax,%dr3 movl PCB_DR2(%edx),%eax movl %eax,%dr2 movl PCB_DR1(%edx),%eax movl %eax,%dr1 movl PCB_DR0(%edx),%eax movl %eax,%dr0 movl %dr7,%eax andl $$0x0000fc00,%eax movl PCB_DR7(%edx),%ecx andl $$~0x0000fc00,%ecx orl %ecx,%eax movl %eax,%dr7 1: ret }}} $FreeBSD$ 以 cpu_switch() 為基礎，提供誇 CPU 平臺的 context switch 能力。 === sched_switch() === sched_switch() 是由 scheduler 提供的 function ，從 run queue 挑選下一個被執行的 thread ，並呼叫 cpu_switch() 切換 CPU 狀態，執行新的 thread 。目前 $FreeBSD$ 提供三種 scheduler ，分別於 kern/sched_core.c 、 kern/sched_ule.c 和 kern/sched_4bsd.c ，各自有自己的 schedule 方式，應該有各自的 sched_switch() ，以挑選下一個 thread 。 sched_switch() 的主要功能是決定執行順序，真正進行 context switch ，還是呼叫 cpu_switch() 進形。因此，如果你想設計新的 scheduler ，最重要的就是 implement sched_switch() ，決定 thread 的執行次序，並呼叫 cpu_switch() 進行切換。 === mi_switch() === mi_switch() 是屬於和 schedule 和 CPU 平臺無關的部分。主要工作是進行資料$統計$，和環境的檢查。$統計$資料包括 CPU 使用量，執行時間長短，切換的時間點。做完這些$統計$之後，就呼叫 sched_switch() ，以切換到下一個合適的 thread。
最後更新時間: 2006-11-22 13:41:18 CST |
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