深入Linux内核（进程篇）—进程切换之ARM体系架构
进程切换
- 一、context_switch
- 二、switch_mm
-
- 2.1 刷新I-CACHE
- 2.2 ASID和TLB
- 2.3 页表转换基址切换
- 三、switch_to
进程切换由两部分组成：
- 切换页全局目录安装一个新的地址空间；
- 切换内核态堆栈及硬件上下文。
一、context_switch
Linux内核中由context_switch实现了上述两部分内容。
- 调用switch_mm完成用户空间切换；
- 调用switch_to完成内核栈及寄存器切换。
具体实现流程：
- 通过进程描述符next->mm是否为空判断当前进程是否是内核线程，因为内核线程的内存描述符mm_struct
*mm总是为空，详见《深入Linux内核（进程篇）—进程描述》内存描述一节。 - 如果是内核线程则借用prev进程的active_mm，对于用户进程，active_mm == mm，对于内核线程，mm = NULL，active_mm = prev->active_mm。
- 如果prev->mm不为空，则说明prev是用户进程，调用mmgrab增加mm->mm_count引用计数。
- 对于内核线程，会启动懒惰TLB模式。懒惰TLB模式是为了减少无用的TLB刷新，关于TLB的内容详见《深入Linux内核（内存篇）–页表映射》TLB一节。enter_lazy_tlb与体系结构相关。
- 如果是用户进程则调用switch_mm_irqs_off完成用户地址空间切换，switch_mm_irqs_off(或switch_mm)与体系结构相关。
- 调用switch_to完成内核态堆栈及硬件上下文切换，switch_to与体系结构相关。
- switch_to执行完成后，next进程获得CPU使用权，prev进程进入睡眠状态。
- 调用finish_task_switch，如果prev是内核线程，则调用mmdrop减少内存描述符引用计数。如果引用计数为0，则释放与页表相关的所有描述符和虚拟内存。
/*
* context_switch - switch to the new MM and the new thread's register state.
*/
static __always_inline struct rq *
context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
struct task_struct *next, struct rq_flags *rf)
{
/* 进程切换的准备工作 */
prepare_task_switch(rq, prev, next);
/*
* For paravirt, this is coupled with an exit in switch_to to
* combine the page table reload and the switch backend into
* one hypercall.
*/
arch_start_context_switch(prev);
/*
* kernel -> kernel lazy + transfer active
* user -> kernel lazy + mmgrab() active
*
* kernel -> user switch + mmdrop() active
* user -> user switch
*/
if (!next->mm) { // to kernel
enter_lazy_tlb(prev->active_mm, next);
next->active_mm = prev->active_mm;
if (prev->mm) // from user
mmgrab(prev->active_mm);
else
prev->active_mm = NULL;
} else { // to user
membarrier_switch_mm(rq, prev->active_mm, next->mm);
/*
* sys_membarrier() requires an smp_mb() between setting
* rq->curr / membarrier_switch_mm() and returning to userspace.
*
* The below provides this either through switch_mm(), or in
* case 'prev->active_mm == next->mm' through
* finish_task_switch()'s mmdrop().
*/
/* 调用switch_mm_irqs_off完成用户地址空间切换 */
switch_mm_irqs_off(prev->active_mm, next->mm, next);
if (!prev->mm) { // from kernel
/* will mmdrop() in finish_task_switch(). */
rq->prev_mm = prev->active_mm;
prev->active_mm = NULL;
}
}
rq->clock_update_flags &= ~(RQCF_ACT_SKIP|RQCF_REQ_SKIP);
prepare_lock_switch(rq, next, rf);
/* Here we just switch the register state and the stack. */
/* 调用switch_to完成内核态堆栈及硬件上下文切换 */
switch_to(prev, next, prev);
barrier();
return finish_task_switch(prev);
}
二、switch_mm
对于用户进程需要完成用户空间的切换，switch_mm函数完成了这个任务。switch_mm是与体系架构相关的函数。下面以ARM体系架构说明用户空间的切换过程。
Linux5.6.4内核调用switch_mm_irqs_off切换用户进程空间，对于没有定义该函数的架构，则调用的是switch_mm。X86体系架构定义了switch_mm_irqs_off函数，ARM体系架构没有定义。
#ifndef switch_mm_irqs_off
# define switch_mm_irqs_off switch_mm
#endif
本文只关心ARM体系架构。ARM进程地址空间的切换实际是设置页表基址寄存器TTBR0的过程，对于每个进程拥有系统全部的虚拟地址空间，但是其并没有占用所以的物理地址，物理地址的访问需要页表转换完成，页表转换的基址存放在页表基址寄存器TTBR0中，每个进程都有一套自己的映射页表存放在物理内存（实际最初并不是所以的页表都存放到内存里，而是发生缺页异常时才将页表写入物理内存），TTBR0指示了进程PGD页表基址，PGD指示了PTE页表基址，PTE指示了物理地址PA。每个进程的PGD不同，因而不同进程虚拟内存对于的物理地址就隔离开了。进程切换switch_mm实质上就是完成TTBR0寄存器的改写。
ARMv7体系架构switch_mm实现如下。由上图分析可知，switch_mm函数实质是将新进程的页表基址设置到也目录表基地址寄存器中，对于ARMv7即协处理器cp15的TTBR0寄存器。
/*
* This is the actual mm switch as far as the scheduler
* is concerned. No registers are touched. We avoid
* calling the CPU specific function when the mm hasn't
* actually changed.
*/
static inline void
switch_mm(struct mm_struct *prev, struct mm_struct *next,
struct task_struct *tsk)
{
#ifdef CONFIG_MMU
unsigned int cpu = smp_processor_id();
/*
* __sync_icache_dcache doesn't broadcast the I-cache invalidation,
* so check for possible thread migration and invalidate the I-cache
* if we're new to this CPU.
*/
if (cache_ops_need_broadcast() &&
!cpumask_empty(mm_cpumask(next)) &&
!cpumask_test_cpu(cpu, mm_cpumask(next)))
__flush_icache_all(); /* 刷新CPU Core所有I-Cache */
/* 将当前CPU设置到next进程的cpumask位图 */
if (!cpumask_test_and_set_cpu(cpu, mm_cpumask(next)) || prev != next) {
/* 处理TLB及切换进程页表映射地址TTBR0 */
check_and_switch_context(next, tsk);
if (cache_is_vivt())
cpumask_clear_cpu(cpu, mm_cpumask(prev));
}
#endif
}
2.1 刷新I-CACHE
如果next进程发生迁移，在一个新的CPU上执行，则需要flush I-Cache（Instructions Cache）。如下图所示，对于ARM SMP架构来说每个core都有独立的I-Cache和D-Cache（哈佛结构L1 Cache），因而新进程第一次运行到某Core时需要将I-Cache内容全部刷新。
__flush_icache_all函数实现了I-Cache刷新，flush I-Cache是通过访问协处理器cp15的c7寄存器实现的。
/* Invalidate I-cache inner shareable */
/* 将cp15协处理器c7寄存器ICIALLUIS */
#define __flush_icache_all_v7_smp() \
asm("mcr p15, 0, %0, c7, c1, 0" \
: : "r" (0));
static inline void __flush_icache_all(void)
{
__flush_icache_preferred();
dsb(ishst);
}
CP15协处理器保护c0-c15共16个寄存器，寄存器32位的组织形式如下：
C R n , o p c 1 , C R m , o p c 2 {CRn, opc1, CRm, opc2} CRn,opc1,CRm,opc2
对于汇编语句“mcr p15, 0, %0, c7, c1, 0”指示四个操作数结果如下：
- CRn：第一个协处理器寄存器c7；
- opc1：协处理器操作码0；
- CRm：第二个协处理器寄存器c1；
- opc2：协处理器操作码0。
因而对应ICIALLUIS （Invalidate all instruction caches Inner Shareable to PoU）寄存器。
2.2 ASID和TLB
check_and_switch_context完成了进程地址空间的切换，这包括两部分内容：
- ASID和TLB的处理；
- TTBR处理。
本节关注switch_mm中关于ASID和TLB的处理。
ASID即Address Space ID，TLB即Translation Lookaside Buffer。
MMU在做Table Walk时，需要访问物理内存中的页表映射，每一级页表映射都需要访问一次内存，而内存的访问对性能影响很大，因而效率很低。TLB是用于缓存MMU地址转换结果的cache，显然访问cache找到物理地址比访问内存找物理地址快的多，因而TLB加快内存的访问效率。
ARMv7架构TLB结构如下图所示，TLB entry中缓存了VA（虚拟地址），PA（物理地址），Attr(cache策略，访问权限等属性)和ASID(地址空间ID)。
VA和PA很好理解，即物理地址和虚拟地址映射关系。Attr用来指示TLB entry属性。ASID用来干甚？
TLB缓存了地址映射关系，不同进程拥有不同的地址映射页表，因而进程切换时，TLB缓存的前一个进程的地址映射关系不能用于新进程，一个简单的办法是将TLB entry全部刷新，这导致TLB使用效率大打折扣，A和B两个进程相互切换时，每次切换后都将面对一个空白的TLB，TLB miss大大增加，显然这种方法不够完美。
ASID指示了每个TLB entry所属的进程，这样可以保证不同进程之间的TLB entry不会互相干扰，因而避免了切换进程时将TLB刷新的问题。所以ASID作用避免了进程切换时TLB的频繁刷新。
实际上，ARM TLB包含了Global和process-specific表项。
- Global类型TLB entry：用于内核空间地址转换，内核空间为所以进程所共有，因而进程切换时，内核映射关系无需变化，所以其TLB entry也不用变。内核的页表基址寄存器是TTBR1，进程切换时页表不变的。
- process-specific类型TLB entry：用户进程独立地址空间映射关系。即ASID用于隔离不同进程的TLB entry。
- 区分Global和process-specific表项则是根据PTE entry的bit11（nG位）。nG位为1时，则表示TLB entry属于进程。
check_and_switch_context函数前面部分主要实现了ASID相关的内容。
- 将TTBR1的内容设置到TTBR0。pgd和ASID的更新不能原子的完成，因而避免错误的映射，先将TTBR0设置成TTBR1；
- 从mm->context.id原子的获取ASID；
- asid_generation记录ASID溢出，mm->context.id低8位记录ASID，高24位记录了ASID溢出次数，如果没有发生ASID溢出则直接调用cpu_switch_mm切换TTBR0。
- 如果发生ASID溢出则需要为进程重新分配ASID，并刷新TLB。
void check_and_switch_context(struct mm_struct *mm, struct task_struct *tsk)
{
unsigned long flags;
unsigned int cpu = smp_processor_id();
u64 asid;
if (unlikely(mm->context.vmalloc_seq != init_mm.context.vmalloc_seq))
__check_vmalloc_seq(mm);
/*
* We cannot update the pgd and the ASID atomicly with classic
* MMU, so switch exclusively to global mappings to avoid
* speculative page table walking with the wrong TTBR.
*/
cpu_set_reserved_ttbr0();/* 将TTBR1的内容设置到TTBR0 */
asid = atomic64_read(&mm->context.id);/* 获取进程ASID */
/* ASID没有发生溢出,不用关系TLB,直接跳到cpu_switch_mm切换TTBR0即可 */
if (!((asid ^ atomic64_read(&asid_generation)) >> ASID_BITS)
&& atomic64_xchg(&per_cpu(active_asids, cpu), asid))
goto switch_mm_fastpath;
raw_spin_lock_irqsave(&cpu_asid_lock, flags);
/* Check that our ASID belongs to the current generation. */
/* ASID发生溢出,调用new_context为进程重新分配ASID，并记录到mm->context.id中 */
asid = atomic64_read(&mm->context.id);
if ((asid ^ atomic64_read(&asid_generation)) >> ASID_BITS) {
asid = new_context(mm, cpu);
atomic64_set(&mm->context.id, asid);
}
/* ASID发生溢出,刷新TLB */
if (cpumask_test_and_clear_cpu(cpu, &tlb_flush_pending)) {
local_flush_bp_all(); /* 指令cache刷新 */
local_flush_tlb_all(); /* TLB刷新 */
}
atomic64_set(&per_cpu(active_asids, cpu), asid);
cpumask_set_cpu(cpu, mm_cpumask(mm));
raw_spin_unlock_irqrestore(&cpu_asid_lock, flags);
switch_mm_fastpath:
cpu_switch_mm(mm->pgd, mm); /* 页表基址寄存器TTBR0切换 */
}
ASID为什么只有8bit，这是由 CONTEXTIDR（Context ID Register）寄存器决定的。cpu_switch_mm除了设置TTBR0寄存器外，还会设置CONTEXTIDR寄存器，3.3章节也会讲到该寄存器。
如下图所示，未开启LAPE功能时，CONTEXTIDR的[7:0]是ASID，因而ASID只有8bit，256个ASID分配完后，需要重新分配。
local_flush_tlb_all完成TLB刷新。
static inline void local_flush_tlb_all(void)
{
const int zero = 0;
const unsigned int __tlb_flag = __cpu_tlb_flags;
if (tlb_flag(TLB_WB))
dsb(nshst);
__local_flush_tlb_all();
tlb_op(TLB_V7_UIS_FULL, "c8, c7, 0", zero);
if (tlb_flag(TLB_BARRIER)) {
dsb(nsh);
isb();
}
}
tlb_op操作使用协处理器指令MCR操作CP15的寄存器。
“c8, c7, 0” 指示协处理器指令。根据3.1节中关于协处理器指令的描述，可以知道。
- CRn：第一个协处理器寄存器c8；
- opc1：协处理器操作码0；
- CRm：第二个协处理器寄存器c7；
- opc2：协处理器操作码1。
因而对应TLBIALL（invalidate unified TLB）寄存器，即将TLB entry全部刷新。
2.3 页表转换基址切换
进程切换需要切换进程地址空间，每个进程都拥有全部的虚拟地址空间，而物理地址空间是隔离的，操作系统能够实现这种内存策略，依靠的是芯片级的地址转换功能，也就是MMU（Memory Management Unit）。MMU完成了虚拟地址到物理地址的转换工作，使得操作系统可以通过虚拟地址访问到物理地址空间的真是数据。
对于ARM体系架构下图是其MMU及内存层次的基本框图。
MMU包含Table Walk Unit和TLB（Translation Lookaside Buffer），其中Table Walk Unit即处理虚拟地址到物理地址的转换单元，而TLB用于缓存地址转换结果，TLB实质上是Cache，与Cache的区别在于它专门用来存储地址转换结果。
ARMv7采用二级页表映射，下图是虚拟地址转换到物理地址的页表映射过程，这个过程是由MMU完成的。
TTBRx（Translation Table Base Register x）即页表转换基址寄存器，ARMv7提供了TTBR0和TTBR1两个寄存器，Linux分别将其应用于内核态和用户态。而进程地址空间切换实质就是将TTBR0寄存器中***Translation Table Base 0 Address修改为当前进程的PGD（页全局目录）。
MMU通过TTBRx和虚拟地址中的PGD index找到 First-level descriptor，First-level descriptor记录了二级页表基址（即PTE），结合虚拟地址的PTE index即找到 * Second-level descriptor， Second-level descriptor记录了物理地址[31:12]，物理地址[31:12]结合虚拟地址的VA[11:0]即得到物理地址。
ARMv7地址空间切换由cpu_switch_mm完成。
void check_and_switch_context(struct mm_struct *mm, struct task_struct *tsk)
{
…………
switch_mm_fastpath:
cpu_switch_mm(mm->pgd, mm);
}
cpu_switch_mm调用cpu_do_switch_mm完成进程地址空间切换。
#define cpu_switch_mm(pgd,mm) cpu_do_switch_mm(virt_to_phys(pgd),mm)
cpu_do_switch_mm最终调用的汇编代码cpu_v7_switch_mm。
ENTRY(cpu_v7_switch_mm)
#ifdef CONFIG_MMU
@R1寄存器即APCS定义的第二个入参，即next进程的内存描述符mm
mmid r1, r1 @ get mm->context.id
ALT_SMP(orr r0, r0, #TTB_FLAGS_SMP)
ALT_UP(orr r0, r0, #TTB_FLAGS_UP)
#ifdef CONFIG_PID_IN_CONTEXTIDR
mrc p15, 0, r2, c13, c0, 1 @ read current context ID
lsr r2, r2, #8 @ extract the PID
bfi r1, r2, #8, #24 @ insert into new context ID
#endif
#ifdef CONFIG_ARM_ERRATA_754322
dsb
#endif
mcr p15, 0, r1, c13, c0, 1 @ set context ID
isb
mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0 @ set TTB 0
isb
#endif
bx lr
ENDPROC(cpu_v7_switch_mm)
“mmid r1, r1” 将mm->context.id存入R1寄存器中。
“mcr p15, 0, r1, c13, c0, 1” 使用协处理器指令MCR将R1寄存器写入CP15协处理器C13寄存器中。
根据3.1节中关于协处理器指令的描述，可以知道。
- CRn：第一个协处理器寄存器c13；
- opc1：协处理器操作码0；
- CRm：第二个协处理器寄存器c0；
- opc2：协处理器操作码1。
因而对应CONTEXTIDR（Context ID Register）寄存器，即将mm->context.id写入CONTEXTIDR寄存器。这一步处理用于指示当前进程ASID（Address Space Identifier）。ASID应用于TLB，ASID可以将不同的进程在TLB中缓存的页表映射隔离，因而可以避免进程切换时将TLB表项刷新。
“mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0” 使用协处理器指令MCR将R0寄存器写入CP15协处理器C2寄存器中。R0寄存器即APCS定义的第一个入参，即PGD。
根据3.1节中关于协处理器指令的描述，可以知道。
- CRn：第一个协处理器寄存器c2；
- opc1：协处理器操作码0；
- CRm：第二个协处理器寄存器c0；
- opc2：协处理器操作码0。
因而对应TTBR0寄存器，即将PGD写入TTBR0寄存器，完成进程地址空间切换。
三、switch_to
对于内核空间及寄存器的切换，switch_to函数完成了这个任务。switch_to是与体系架构相关的函数。下面以ARM体系架构说明用户空间的切换过程。
switch_to调用到__switch_to。
#define switch_to(prev,next,last) \
do { \
__complete_pending_tlbi(); \
last = __switch_to(prev,task_thread_info(prev), task_thread_info(next)); \
} while (0)
__switch_to汇编实现如下。三个入参分别为：
- r0：移出进程prev的task_struct；
- r1：移出进程prev的thread_info;
- r2：移入进程next的thread_info.
ENTRY(__switch_to)
UNWIND(.fnstart )
UNWIND(.cantunwind )
add ip, r1, #TI_CPU_SAVE @ip = r1 + TI_CPU_SAVE
ARM( stmia ip!, {r4 - sl, fp, sp, lr} ) @ Store most regs on stack
THUMB( stmia ip!, {r4 - sl, fp} ) @ Store most regs on stack
THUMB( str sp, [ip], #4 )
THUMB( str lr, [ip], #4 )
ldr r4, [r2, #TI_TP_VALUE]
ldr r5, [r2, #TI_TP_VALUE + 4]
#ifdef CONFIG_CPU_USE_DOMAINS
mrc p15, 0, r6, c3, c0, 0 @ Get domain register
str r6, [r1, #TI_CPU_DOMAIN] @ Save old domain register
ldr r6, [r2, #TI_CPU_DOMAIN]
#endif
switch_tls r1, r4, r5, r3, r7
#if defined(CONFIG_STACKPROTECTOR) && !defined(CONFIG_SMP)
ldr r7, [r2, #TI_TASK]
ldr r8, =__stack_chk_guard
.if (TSK_STACK_CANARY > IMM12_MASK)
add r7, r7, #TSK_STACK_CANARY & ~IMM12_MASK
.endif
ldr r7, [r7, #TSK_STACK_CANARY & IMM12_MASK]
#endif
#ifdef CONFIG_CPU_USE_DOMAINS
mcr p15, 0, r6, c3, c0, 0 @ Set domain register
#endif
mov r5, r0
add r4, r2, #TI_CPU_SAVE
ldr r0, =thread_notify_head
mov r1, #THREAD_NOTIFY_SWITCH
bl atomic_notifier_call_chain
#if defined(CONFIG_STACKPROTECTOR) && !defined(CONFIG_SMP)
str r7, [r8]
#endif
THUMB( mov ip, r4 )
mov r0, r5
ARM( ldmia r4, {r4 - sl, fp, sp, pc} ) @ Load all regs saved previously
THUMB( ldmia ip!, {r4 - sl, fp} ) @ Load all regs saved previously
THUMB( ldr sp, [ip], #4 )
THUMB( ldr pc, [ip] )
UNWIND(.fnend )
ENDPROC(__switch_to)
“add ip, r1, #TI_CPU_SAVE” 将IP寄存器赋值为r1+ TI_CPU_SAVE，r1即为prev->thread_info，TI_CPU_SAVE是cpu_context成员在thread_info中的偏移。
DEFINE(TI_CPU_SAVE, offsetof(struct thread_info, cpu_context));
因此IP寄存器保存了prev->thread_info->cpu_context的地址。
ARM体系架构定义的cpu_context包含了r4-r9，sl，fp，sp和pc寄存器。
struct cpu_context_save {
__u32 r4;
__u32 r5;
__u32 r6;
__u32 r7;
__u32 r8;
__u32 r9;
__u32 sl;
__u32 fp;
__u32 sp;
__u32 pc;
__u32 extra[2]; /* Xscale 'acc' register, etc */
};
“ARM( stmia ip!, {r4 - sl, fp, sp, lr} )” 将r4 - sl, fp, sp, lr寄存器中的内容保存到IP寄存器所指向的内存地址，即prev->thread_info->cpu_context，这相当于保存了prev进程运行时的寄存器上下文。
stmia是多寄存器寻址内存操作指令。用于将多个寄存器的值存放到内存。
内存操作指令stm的ia后缀表示，数据传输完成后地址增加。
！表示数据传输完成后，将地址回写到ip寄存器。
关于stmia的详细内容请看《ARM体系架构—ARMv7-A指令集：内存操作指令》
如下操作依然是将寄存器保存到内存，内存地址不断递增，且回写到IP寄存器。
*THUMB( stmia ip!, {r4 - sl, fp} ) @ Store most regs on stack
THUMB( str sp, [ip], #4 )
THUMB( str lr, [ip], #4 ) *
prev寄存器R4和R5以压入prev进程内核栈中，因而可以被next进程使用，寄存器R4和R5分别用来保存next->thread_info->tp_value[0]和next->thread_info->tp_value[1]
ldr r4, [r2, #TI_TP_VALUE]
ldr r5, [r2, #TI_TP_VALUE + 4]
调用atomic_notifier_call_chain函数，入参为thread_notify_head和THREAD_NOTIFY_SWITCH。
ldr r0, =thread_notify_head
mov r1, #THREAD_NOTIFY_SWITCH
bl atomic_notifier_call_chain
add r4, r2, #TI_CPU_SAVE 实现r4寄存器保存了next->thread_info->cpu_context的地址。
“ARM( ldmia r4, {r4 - sl, fp, sp, pc} )” 将next->thread_info->cpu_context的数据加载到r4 - sl, fp, sp, lr，pc寄存器中，next->thread_info->cpu_context->sp存入寄存器SP相当于内核栈切换完成，next->thread_info->cpu_context->pc存入寄存器PC相当于跳转到next进程运行。即切换到next进程运行时的寄存器上下文。
这样就完成了进程内核栈及寄存器切换。
关于ARM寄存器介绍请参看《ARM体系架构—ARMv7-A处理器模式及寄存器》