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《深入Linux内核架构》附录A<体系结构相关知识>笔记

2024-07-18 05:58:14 219人阅读

A.1 概述

　　为便于扩展到新的体系结构，内核严格隔离了体系结构相关和体系结构无关的代码。内核中特定于处理器的部分，包含定义和原型的头文件保存在include/asm-arch/(例如，include/asm-arm/)目录下，而C语言和汇编程序源代码实现则保存在arch/arch/(例如，arch/arm/)目录下。

　　联编系统也考虑到一般代码可能需要借助于特定于体系结构的机制。所有特定于处理器的头文件都位于include/asm-arch/。在内核配置为特定的体系结构之后，则建立符号链接include/asm/指向具体硬件所对应的目录。内核通过#include<asm/file.h>即可访问特定于体系结构的头文件。

A.2 数据类型

　　内核区别下列三种基本数据类型。
　> C语言的标准数据类型；
　> 具有固定比特位数的数据类型，如u32，s16；
　> 特定于子系统的类型，例如pid_t，sector_t。

A.3 对齐

　　将数据对齐到特定的内存地址，对于高效使用处理器高速缓存和提升性能，都很有必要。通常，对齐是指对齐到数据类型的字节长度可整除的字节地址。将数据类型对齐到自身的字节长度称为自然对齐。

　　在内核中某些地方，可能需要访问非对齐的数据类型。各体系结构必须为此定义两个宏。
　> get_unaligned(ptr)：对位于非对齐内存位置的一个指针，进行反引用操作。

　>put_unaligned(val，ptr)：指向ptr指定的一个非对齐内存位置写入值val。

　　GCC为各种struct和union组织内存布局时，会自动选择适当的对齐，是的程序员无须手工进行操作。

A.4 内存页面

　> PAGE_SHIFT指定了页长度以2为底的对数。
　> PAGE_SIZE指定了内存页的长度，单位为字节。

　>PAGE_ALIGN(addr)可以将任何地址对齐到页边界。

　　还必须实现对页的两个标准操作，通常是通过优化的汇编指令来完成。
　> clear_page(start)删除从start开始的一页，并将其填充0字节。

　>copy_page(to, from)将from处的页数据复制到to处。

　　PAGE_OFFSET宏指定了物理页帧在虚拟地址空间中映射到的位置。在大多数体系结构上，这隐含地定义了用户地址空间的长度，但并不适用所有地址空间。因此必须使用TASK_SIZE常数来确定用户空间长度。

/*
 * PAGE_OFFSET - the virtual address of the start of the kernel image
 * TASK_SIZE - the maximum size of a user space task.
 * TASK_UNMAPPED_BASE - the lower boundary of the mmap VM area
 */
#define PAGE_OFFSET		UL(CONFIG_PAGE_OFFSET)
#define TASK_SIZE		(UL(CONFIG_PAGE_OFFSET) - UL(0x01000000))
#define TASK_UNMAPPED_BASE	(UL(CONFIG_PAGE_OFFSET) / 3)

A.5 系统调用

　　发出系统调用的机制，实际上是一个从用户空间到内核空间的可控切换，在所有支持的平台上都有所不同。标准文件unistd.h(在ARM上arch/arm/include/asm/unistd.h)负责与系统调用相关的任务。

A.6 字符串处理

　　内核中各处都会处理字符串，因而对字符串处理的时间要求很严格。很多体系结构都提供了专门的汇编指令来执行所需的任务，或者由于手工优化的汇编代码可能比编译器生成的代码更为快速，因此所有体系结构在<arch/arch/include/asm/string.h>中都定义了自身的各种字符串操作。例如ARM架构中，

#ifndef __ASM_ARM_STRING_H
#define __ASM_ARM_STRING_H

/*
 * We don't do inline string functions, since the
 * optimised inline asm versions are not small.
 */

#define __HAVE_ARCH_STRRCHR
extern char * strrchr(const char * s, int c);

#define __HAVE_ARCH_STRCHR
extern char * strchr(const char * s, int c);

#define __HAVE_ARCH_MEMCPY
extern void * memcpy(void *, const void *, __kernel_size_t);

#define __HAVE_ARCH_MEMMOVE
extern void * memmove(void *, const void *, __kernel_size_t);

#define __HAVE_ARCH_MEMCHR
extern void * memchr(const void *, int, __kernel_size_t);

#define __HAVE_ARCH_MEMSET
extern void * memset(void *, int, __kernel_size_t);

extern void __memzero(void *ptr, __kernel_size_t n);

#define memset(p,v,n)								({									 	void *__p = (p); size_t __n = n;					if ((__n) != 0) {								if (__builtin_constant_p((v)) && (v) == 0)					__memzero((__p),(__n));						else										memset((__p),(v),(__n));				}									(__p);								})

#endif

　　所有这些操作，用于替换用户空间中所用C标准库的同名函数，以便在内核中执行同样的任务。对于每个有体系结构自身以优化形式定义的字符串操作来说，都必须定义相应的__HAVE_ARCH_OPERATION宏。上述ARM架构的函数定义在arch\arm\lib中，汇编实现。

A.7 线程表示

　　一个线程的运行状态，主要由处理器寄存器的内容定义。当前未运行的进程，必须将该数据保存在相应的数据结构中，以便调度器激活进行时，从中读取数据并迁移到适当的寄存器。用于完成该工作的结构定义在下列文件中。
　> ptrace.h中定义了用于保存所有寄存器的pt_regs结构，在进程由用户态切换到内核态时，会将保存各寄存器值的pt_regs结构实例放在内核栈上。
　> processor.h包含了thread_struct结构体，用于描述所有其他寄存器和所有其他进程状态信息。
　> thread.h中定义了thread_info结构体，其中包含为实现进入和退出内核态、汇编代码所必须访问的所有task_struct成员。

　　ARM架构下pt_regs的定义：

/*
 * This struct defines the way the registers are stored on the
 * stack during a system call.  Note that sizeof(struct pt_regs)
 * has to be a multiple of 8.
 */
struct pt_regs {
	long uregs[18];
};

#define ARM_cpsr	uregs[16]
#define ARM_pc		uregs[15]
#define ARM_lr		uregs[14]
#define ARM_sp		uregs[13]
#define ARM_ip		uregs[12]
#define ARM_fp		uregs[11]
#define ARM_r10		uregs[10]
#define ARM_r9		uregs[9]
#define ARM_r8		uregs[8]
#define ARM_r7		uregs[7]
#define ARM_r6		uregs[6]
#define ARM_r5		uregs[5]
#define ARM_r4		uregs[4]
#define ARM_r3		uregs[3]
#define ARM_r2		uregs[2]
#define ARM_r1		uregs[1]
#define ARM_r0		uregs[0]
#define ARM_ORIG_r0	uregs[17]

　　ARM架构下thread_struct定义(可以将机器指令以操作码形式连同内存地址一同保存，以供调试使用)：

union debug_insn {
	u32	arm;
	u16	thumb;
};

struct debug_entry {
	u32			address;
	union debug_insn	insn;
};

struct debug_info {
	int			nsaved;
	struct debug_entry	bp[2];
};

struct thread_struct {
							/* fault info	  */
	unsigned long		address;
	unsigned long		trap_no;
	unsigned long		error_code;
							/* debugging	  */
	struct debug_info	debug;
};

A.8 位操作与字节序

　　内核特定于体系结构的位操作在arch/arch/include/asm/bitops.h中定义，如下是ARM架构下的位操作定义：

#ifndef __ARMEB__
/*
 * These are the little endian, atomic definitions.
 */
#define set_bit(nr,p)			ATOMIC_BITOP_LE(set_bit,nr,p)
#define clear_bit(nr,p)			ATOMIC_BITOP_LE(clear_bit,nr,p)
#define change_bit(nr,p)		ATOMIC_BITOP_LE(change_bit,nr,p)
#define test_and_set_bit(nr,p)		ATOMIC_BITOP_LE(test_and_set_bit,nr,p)
#define test_and_clear_bit(nr,p)	ATOMIC_BITOP_LE(test_and_clear_bit,nr,p)
#define test_and_change_bit(nr,p)	ATOMIC_BITOP_LE(test_and_change_bit,nr,p)
#define find_first_zero_bit(p,sz)	_find_first_zero_bit_le(p,sz)
#define find_next_zero_bit(p,sz,off)	_find_next_zero_bit_le(p,sz,off)
#define find_first_bit(p,sz)		_find_first_bit_le(p,sz)
#define find_next_bit(p,sz,off)		_find_next_bit_le(p,sz,off)

#define WORD_BITOFF_TO_LE(x)		((x))

#else

/*
 * These are the big endian, atomic definitions.
 */
#define set_bit(nr,p)			ATOMIC_BITOP_BE(set_bit,nr,p)
#define clear_bit(nr,p)			ATOMIC_BITOP_BE(clear_bit,nr,p)
#define change_bit(nr,p)		ATOMIC_BITOP_BE(change_bit,nr,p)
#define test_and_set_bit(nr,p)		ATOMIC_BITOP_BE(test_and_set_bit,nr,p)
#define test_and_clear_bit(nr,p)	ATOMIC_BITOP_BE(test_and_clear_bit,nr,p)
#define test_and_change_bit(nr,p)	ATOMIC_BITOP_BE(test_and_change_bit,nr,p)
#define find_first_zero_bit(p,sz)	_find_first_zero_bit_be(p,sz)
#define find_next_zero_bit(p,sz,off)	_find_next_zero_bit_be(p,sz,off)
#define find_first_bit(p,sz)		_find_first_bit_be(p,sz)
#define find_next_bit(p,sz,off)		_find_next_bit_be(p,sz,off)

#define WORD_BITOFF_TO_LE(x)		((x) ^ 0x18)

#endif

　　内核提供了little_endian.h和big_endian.h头文件。用于当前处理器的版本包含在asm-arch/byteorder.h中，小端格式的转换如下，大端类似：

#define __constant_htonl(x) ((__force __be32)___constant_swab32((x)))
#define __constant_ntohl(x) ___constant_swab32((__force __be32)(x))
#define __constant_htons(x) ((__force __be16)___constant_swab16((x)))
#define __constant_ntohs(x) ___constant_swab16((__force __be16)(x))
#define __constant_cpu_to_le64(x) ((__force __le64)(__u64)(x))
#define __constant_le64_to_cpu(x) ((__force __u64)(__le64)(x))
#define __constant_cpu_to_le32(x) ((__force __le32)(__u32)(x))
#define __constant_le32_to_cpu(x) ((__force __u32)(__le32)(x))
#define __constant_cpu_to_le16(x) ((__force __le16)(__u16)(x))
#define __constant_le16_to_cpu(x) ((__force __u16)(__le16)(x))
#define __constant_cpu_to_be64(x) ((__force __be64)___constant_swab64((x)))
#define __constant_be64_to_cpu(x) ___constant_swab64((__force __u64)(__be64)(x))
#define __constant_cpu_to_be32(x) ((__force __be32)___constant_swab32((x)))
#define __constant_be32_to_cpu(x) ___constant_swab32((__force __u32)(__be32)(x))
#define __constant_cpu_to_be16(x) ((__force __be16)___constant_swab16((x)))
#define __constant_be16_to_cpu(x) ___constant_swab16((__force __u16)(__be16)(x))
#define __cpu_to_le64(x) ((__force __le64)(__u64)(x))
#define __le64_to_cpu(x) ((__force __u64)(__le64)(x))
#define __cpu_to_le32(x) ((__force __le32)(__u32)(x))
#define __le32_to_cpu(x) ((__force __u32)(__le32)(x))
#define __cpu_to_le16(x) ((__force __le16)(__u16)(x))
#define __le16_to_cpu(x) ((__force __u16)(__le16)(x))
#define __cpu_to_be64(x) ((__force __be64)__swab64((x)))
#define __be64_to_cpu(x) __swab64((__force __u64)(__be64)(x))
#define __cpu_to_be32(x) ((__force __be32)__swab32((x)))
#define __be32_to_cpu(x) __swab32((__force __u32)(__be32)(x))
#define __cpu_to_be16(x) ((__force __be16)__swab16((x)))
#define __be16_to_cpu(x) __swab16((__force __u16)(__be16)(x))

A.9 页表

　　为简化内存管理，内核提供一个将各种体系结构不同点抽象出去的内存模型，各种移植版必须提供操作页表和页表项的函数。这些声明在asm-arch/pgtable.h中。

A.10 杂项

A.10.1 校验和计算

　　对数据包计算校验和，是通过IP网络通信的关键，会相当耗时。如果可能的话，每种体系结构都应该采用人工汇编代码来计算校验和。相关代码的声明在asm-arch/checksum.h中。其中，有两个函数式最重要的：
　> unsigned short ip_fast_csum根据IP报头和包头长度计算必要的检验和。
　> csum_partial根据依次接收的各个分片，为每一个数据包计算校验和。

A.10.2 上下文切换

　　在调度器决定通知当前进程放弃CPU以便另一个进程运行之后，会进行上下文切换中硬件相关的部分。为此，所有体系结构都必须提供switch_to函数或对应的宏。原型如下，声明定义在asm-arch/system.h中。

/*
 * switch_to(prev, next) should switch from task `prev' to `next'
 * `prev' will never be the same as `next'.  schedule() itself
 * contains the memory barrier to tell GCC not to cache `current'.
 */
extern struct task_struct *__switch_to(struct task_struct *, struct thread_info *, struct thread_info *);

#define switch_to(prev,next,last)					do {										last = __switch_to(prev,task_thread_info(prev), task_thread_info(next));	} while (0)

A.10.3 查找当前进程

　　current宏用于找到一个指向当前运行进程的task_struct的指针。每种体系结构都必须在arch/arch/include/asm/current.h中声明该宏。该指针保存在一个独立的处理器寄存器中，可以使用current宏直接或间接地查询。大多数体系结构使用它保存一个指向当前有效的thread_info实例的指针，因为thread_info结构体包含了一个指针，指向相关进程的task_struct，current可以绕个弯子来实现。例如，ARM体系结构的实现：
arch/arm/include/asm/current.h:

static inline struct task_struct *get_current(void) __attribute_const__;

static inline struct task_struct *get_current(void)
{
	return current_thread_info()->task;
}

#define current (get_current())

　　arch/arm/include/asm/thread_info.h:

/*
 * how to get the thread information struct from C
 */
static inline struct thread_info *current_thread_info(void) __attribute_const__;

static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
	register unsigned long sp asm ("sp");
	return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1));
}

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