Linux任务切换软硬件机制

前言

简单介绍下 Linux0.11 及 Linux 2.6 的任务切换机制

参考资料：
保护方式下的 80386 及其编程
《Linux 内核完全注释》
《深入理解 Linux 内核》

概念

任务切换的概念可参考之前写的 C51 单片机上的任务切换
大致如下图

即：
任务 1 在内存中保存有其硬件上下文
任务 2 在内存中保存有其硬件上下文

假设当前任务 1 在运行，现要执行任务 2
所谓任务切换就是将当前硬件上下文件，保存到任务 1 内存中，然后加载任务 2 的硬件上下文继续运行

x86 任务切换

TSS

针对 x86, 这是款高级货，当前任务的硬件上下文多，如果像 C51 一样手动 pop/push 速度慢，这时候为了增加切换速度，
直接将相关切换流程硬件标准化了，他通过一个 TSS 保存了当前任务的硬件上下文，直接通过切换 TSS 来触发硬件上下文保存切换加载工作

任务切换

切换 TSS 可以通过任务门来实现，所谓任务门，就是一个类似指向 TSS 描述符的指针，通过跳转等命令触发切换操作

辞旧迎新操作流程：

Linux 任务中切换

任务切换吧，因为 x86 任务切换要经过 TSS，所以 0.11 跟 2.4 切换细节上主要在任务的组织上

Linux0.11 的任务切换

可以看到， Linux0.11 上任务使用 64M 地址空间，在 4G 的地址每个任务占用的线性地址位置不一样，体现在 GDT 表中就如下所示：

每个任务都有自己独有的 LDT+TSS ，所以任务切换就是跳转到不同的 TSS 上执行就好了
实现上就如下所示：

	/*
	* switch_to(n)将切换当前任务到任务nr，即n。首先检测任务n 不是当前任务，
	* 如果是则什么也不做退出。如果我们切换到的任务最近（上次运行）使用过数学
	* 协处理器的话，则还需复位控制寄存器cr0 中的TS 标志。
	*/
	// 输入：%0 - 新TSS 的偏移地址(*&__tmp.a)； %1 - 存放新TSS 的选择符值(*&__tmp.b)；
	// dx - 新任务n 的选择符；ecx - 新任务指针task[n]。
	// 其中临时数据结构__tmp 中，a 的值是32 位偏移值，b 为新TSS 的选择符。在任务切换时，a 值
	// 没有用（忽略）。在判断新任务上次执行是否使用过协处理器时，是通过将新任务状态段的地址与
	// 保存在last_task_used_math 变量中的使用过协处理器的任务状态段的地址进行比较而作出的。
	#define switch_to(n) {\
	struct {long a,b;} __tmp; \
	__asm__( "cmpl %%ecx,_current\n\t" \	// 任务 n 是当前任务吗?(current ==task[n]?)
	  "je 1f\n\t" \							// 是，则什么都不做，退出。
	  "movw %%dx,%1\n\t" \					// 将新任务的选择符【TSS】-->*&__tmp.b。
	  "xchgl %%ecx,_current\n\t" \			// current = task[n]；【ecx = 被切换出的任务。】
	  "ljmp %0\n\t" \						// 执行长跳转至*&__tmp，造成任务切换。
	  
	// 在任务切换回来后才会继续执行下面的语句。
	  "cmpl %%ecx,_last_task_used_math\n\t" \	// 新任务上次使用过协处理器吗？
	  "jne 1f\n\t" \							// 没有则跳转，退出。
	  "clts\n" \								// 新任务上次使用过协处理器，则清cr0 的TS 标志。
	  "1:"::"m" (*&__tmp.a), "m" (*&__tmp.b),
	  "d" (_TSS (n)), "c" ((long) task[n]));
	}

简单直接，找到新任务的 TSS 位置，然后 ljmp 跳过去就切换好了

Linux2.6 的任务切换

Linux0.11 上不同任务使用不同的 TSS/LDT 有一个问题，那就是 GDT 表格大小是有限的，所以支持的任务数量受很大限制
所以后面就不用这种方式了，但是 TSS/LDT 在 x86 上进行任务切换跳不过去，必须要用，那怎么办呢？
好办，每 CPU 一个的 TSS/LDT, 大家共享，不同任务有区别的部分大家各自保存，在任务切换函数中修改共享的 TSS/LDT 就好了

整体流程就变成了下面这样：