Linux kernel-<armv7a-switch_to>

本文详细介绍了 ARMv7-M 架构下进程上下文切换的实现方式,包括寄存器的保存与恢复过程。此外,还探讨了 Linux 内核中的通知链机制,解释了原子通知链、阻塞通知链、原始通知链和 SRCU 通知链的不同应用场景及特点。

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1.__switch_to

File:entry_v7m.S
TI_CPU_SAVE 即上下文环境,在thread_info中cpu_context的偏移量

/*
 * Register switch for ARMv7-M processors.
 * r0 = previous task_struct, r1 = previous thread_info, r2 = next thread_info
 * previous and next are guaranteed not to be the same.
 */
ENTRY(__switch_to)
    .fnstart
    .cantunwind
    /* save field */
    add ip, r1, #TI_CPU_SAVE
    stmia   ip!, {r4 - r11}     @ Store most regs on stack
    str sp, [ip], #4
    str lr, [ip], #4
    mov r5, r0
    add r4, r2, #TI_CPU_SAVE
    /* notifier to switch process */
    ldr r0, =thread_notify_head
    mov r1, #THREAD_NOTIFY_SWITCH
    bl  atomic_notifier_call_chain
    mov ip, r4
    mov r0, r5
    /* restore the new process field */
    ldmia   ip!, {r4 - r11}     @ Load all regs saved previously
    ldr sp, [ip]
    ldr pc, [ip, #4]!
    .fnend
ENDPROC(__switch_to)

2.thread_notify_head

File:process.c


ATOMIC_NOTIFIER_HEAD(thread_notify_head);

EXPORT_SYMBOL_GPL(thread_notify_head);

2.1 什么是notifier

* 摘抄源码中的注释*

/*
 * Notifier chains are of four types:
 *
 *  Atomic notifier chains: Chain callbacks run in interrupt/atomic
 *      context. Callouts are not allowed to block.
 *  原子通知链:应用在中断或原子上下文
 *  Blocking notifier chains: Chain callbacks run in process context.
 *      Callouts are allowed to block.
 *  阻塞通知链:应用在进程上下文
 *  Raw notifier chains: There are no restrictions on callbacks,
 *      registration, or unregistration.  All locking and protection
 *      must be provided by the caller.
 *  原始通知链:应用在不是很严格的条件下,比如回调,注册,注销的环境中。其中的锁保护需要由调用者提供。
 *  SRCU notifier chains: A variant of blocking notifier chains, with
 *      the same restrictions.
 *  SRCU 通知链:是阻塞通知链的变体,一样的应用限制。
 * atomic_notifier_chain_register() may be called from an atomic context,
 * but blocking_notifier_chain_register() and srcu_notifier_chain_register()
 * must be called from a process context.  Ditto for the corresponding
 * _unregister() routines.
 *
 * atomic_notifier_chain_unregister(), blocking_notifier_chain_unregister(),
 * and srcu_notifier_chain_unregister() _must not_ be called from within
 * the call chain.
 *
 * SRCU notifier chains are an alternative form of blocking notifier chains.
 * They use SRCU (Sleepable Read-Copy Update) instead of rw-semaphores for
 * protection of the chain links.  This means there is _very_ low overhead
 * in srcu_notifier_call_chain(): no cache bounces and no memory barriers.
 * As compensation, srcu_notifier_chain_unregister() is rather expensive.
 * SRCU notifier chains should be used when the chain will be called very
 * often but notifier_blocks will seldom be removed.  Also, SRCU notifier
 * chains are slightly more difficult to use because they require special
 * runtime initialization.
 * 补充一点,srcu通知链的花销是巨大的。当调用非常频繁,但是通知链的阻塞情况,很少被移除时,最好使用SRCU通知链。不过,用的时候会稍微麻烦一点,因为需要特殊的实时初始化。
 */

2.2 notifier

File: thread_notify.h

/*
 * These are the reason codes for the thread notifier.
 */
#define THREAD_NOTIFY_FLUSH 0
#define THREAD_NOTIFY_EXIT  1
#define THREAD_NOTIFY_SWITCH    2
#define THREAD_NOTIFY_COPY  3
<think>好的,我现在需要回答用户关于Linux ARMv8架构中`tlb_switch_to_guest`的实现细节或源代码的问题。首先,我需要确认用户的需求。用户可能是在开发或调试与ARMv8虚拟化相关的内核代码,特别是在处理TLB切换时的部分。他们可能遇到了问题,或者想了解该函数的工作原理。 接下来,我应该回忆一下Linux内核中与ARM架构相关的虚拟化部分,尤其是TLB管理。TLB(Translation Lookaside Buffer)用于缓存虚拟地址到物理地址的转换,切换TLB上下文通常发生在虚拟化环境中,当从宿主机切换到客户机时,需要确保客户机的地址转换正确,同时避免信息泄漏。 在ARM架构中,虚拟化扩展包括Stage 2页表,用于客户机的物理地址转换。当切换到客户机模式时,需要加载对应的Stage 2页表,并可能涉及到TLB失效操作,以确保之前的缓存不会影响当前客户机的运行。这里的关键函数可能包括`tlb_switch_to_guest`,但需要确认该函数是否存在于内核代码中,或者是否有其他名称的类似函数。 接下来,我需要查找Linux内核源代码中的相关部分。由于用户提到的是ARMv8,我应该关注`arch/arm64`目录下的代码。可能的文件包括`arch/arm64/include/asm/kvm_mmu.h`或`arch/arm64/kvm/hyp/tlb.c`,这些地方通常包含与TLB操作相关的函数。 假设用户提到的`tlb_switch_to_guest`确实存在,我需要找到它的定义。可能该函数是在KVM(Kernel-based Virtual Machine)的上下文中实现的,特别是在处理VM进入/退出时的上下文切换部分。例如,当从宿主机切换到客户机时,KVM需要准备硬件状态,包括TLB配置。 在查找过程中,可能会发现类似`__tlb_switch_to_guest`的函数,该函数可能在`arch/arm64/kvm/hyp/tlb.c`中定义。这个函数可能负责在进入客户机之前执行必要的TLB失效操作,并加载客户机的ASID(Address Space Identifier)或VMID(Virtual Machine Identifier)。 例如,该函数可能调用`asm volatile`指令来执行TLB失效操作,使用`tlbi vmalls12e1is`这样的指令,该指令会使所有Stage 1和Stage 2的TLB条目失效。同时,可能还需要执行`dsb`(Data Synchronization Barrier)和`isb`(Instruction Synchronization Barrier)以确保操作的完成。 此外,代码可能涉及上下文切换,保存宿主机的状态并加载客户机的配置,如TTBR0_EL2(Translation Table Base Register 0 for Exception Level 2)的值。还可能涉及到ASID的管理,确保客户机的ASID正确加载,以避免TLB冲突。 需要注意的是,不同内核版本可能有不同的实现,因此用户需要根据其使用的内核版本查找对应的代码。例如,较新的内核可能将部分函数重构或移动到不同的文件中。 最后,用户可能需要参考ARM架构手册或内核文档以获取更详细的解释。例如,ARM的DDI 0487文档描述了TLB维护指令和虚拟化扩展的行为,而内核的Documentation/arm64目录可能提供相关实现的概述。</think>在Linux内核的ARMv8架构中,`tlb_switch_to_guest`的实现与虚拟化(KVM)上下文切换密切相关。该函数主要用于在切换到客户机(Guest)模式前,处理TLB(Translation Lookaside Buffer)相关的状态更新与失效操作,确保地址空间隔离性[^1]。 ### 关键实现细节 1. **TLB失效操作** 在进入客户机前,需通过`tlbi`(TLB Invalidate)指令清除与当前VMID(Virtual Machine Identifier)相关的TLB缓存条目。例如: ```c // arch/arm64/kvm/hyp/tlb.c __tlb_switch_to_guest(struct kvm_vcpu *vcpu, ...) { ... asm volatile("tlbi vmalls12e1is" : : ); dsb(ish); isb(); } ``` 这里`tlbi vmalls12e1is`会失效所有Stage-1和Stage-2的TLB条目。 2. **ASID/VMID管理** 客户机的ASID(Address Space ID)和VMID需加载到系统寄存器,如: ```c write_sysreg(kvm_get_vttbr(vcpu->kvm), vttbr_el2); isb(); ``` 3. **上下文同步** 使用`dsb`和`isb`确保内存访问顺序正确,避免因乱序执行导致TLB状态不一致。 ### 源代码位置 - 主要代码位于`arch/arm64/kvm/hyp/tlb.c`中的`__tlb_switch_to_guest`函数 - 相关头文件定义在`arch/arm64/include/asm/kvm_mmu.h`
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