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linux kernel中的棧的介紹

目錄

        • 1、linux kernel中的中斷irq的棧stack
          • (1)、arm32體系的irq的棧
          • (2)、arm64體系的irq的棧
        • 2、linux kernel中的棧stack
          • (1)、概念介紹：核心棧、核心空間程序棧、使用者空間程序棧
          • (2)、核心棧 的實作
          • (2)、核心程序棧、使用者程序棧 的實作
        • 3、總結

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1、linux kernel中的中斷irq的棧stack

(1)、arm32體系的irq的棧

如下結構體描述了IRQ mode的棧，很小，隻有12bytes。那是因為在linux kernel arm32體系中，真正的中斷處理都在svc mode。

發生中斷時，先進入irq mode，再進入svc mode完成大部分工作.

(kernel-4.14/arch/arm/kernel/setup.c)
struct stack {
	u32 irq[3];
	u32 abt[3];
	u32 und[3];
	u32 fiq[3];
} ____cacheline_aligned;

#ifndef CONFIG_CPU_V7M
static struct stack stacks[NR_CPUS];
#endif

}

如下描述了調用cpu_init來設定棧的過程,

(kernel-4.14/arch/arm/kernel/setup.c)
/*
 * cpu_init - initialise one CPU.
 *
 * cpu_init sets up the per-CPU stacks.
 */
void notrace cpu_init(void)
{
#ifndef CONFIG_CPU_V7M
	unsigned int cpu = smp_processor_id();
	struct stack *stk = &stacks[cpu];

	if (cpu >= NR_CPUS) {
		pr_crit("CPU%u: bad primary CPU number\n", cpu);
		BUG();
	}

	/*
	 * This only works on resume and secondary cores. For booting on the
	 * boot cpu, smp_prepare_boot_cpu is called after percpu area setup.
	 */
	set_my_cpu_offset(per_cpu_offset(cpu));

	cpu_proc_init();

	/*
	 * Define the placement constraint for the inline asm directive below.
	 * In Thumb-2, msr with an immediate value is not allowed.
	 */
#ifdef CONFIG_THUMB2_KERNEL
#define PLC	"r"
#else
#define PLC	"I"
#endif

	/*
	 * setup stacks for re-entrant exception handlers
	 */
	__asm__ (
	"msr	cpsr_c, %1\n\t"
	"add	r14, %0, %2\n\t"
	"mov	sp, r14\n\t"
	"msr	cpsr_c, %3\n\t"
	"add	r14, %0, %4\n\t"
	"mov	sp, r14\n\t"
	"msr	cpsr_c, %5\n\t"
	"add	r14, %0, %6\n\t"
	"mov	sp, r14\n\t"
	"msr	cpsr_c, %7\n\t"
	"add	r14, %0, %8\n\t"
	"mov	sp, r14\n\t"
	"msr	cpsr_c, %9"
	    :
	    : "r" (stk),
	      PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | IRQ_MODE),
	      "I" (offsetof(struct stack, irq[0])),
	      PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | ABT_MODE),
	      "I" (offsetof(struct stack, abt[0])),
	      PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | UND_MODE),
	      "I" (offsetof(struct stack, und[0])),
	      PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | FIQ_MODE),
	      "I" (offsetof(struct stack, fiq[0])),
	      PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE)
	    : "r14");
#endif
}
(2)、arm64體系的irq的棧

先看下irq_handler的中斷函數處理的過程

/*
 * Interrupt handling.
 */
	.macro	irq_handler
	ldr_l	x1, handle_arch_irq   -----将handle位址儲存在x1
	mov	x0, sp
	irq_stack_entry   ------ 切換棧，也就是将svc棧切換程irq棧. 在此之前，SP還是EL1_SP，在此函數中，将EL1_SP儲存，再将IRQ棧的位址寫入到SP寄存器
	blr	x1     ——————執行中斷處理函數
	irq_stack_exit   ------ 恢複EL1_SP(svc棧)
	.endm
           
.macro	irq_stack_entry
	mov	x19, sp			// preserve the original sp    //将svc mode下的棧位址(也就是EL1_SP)儲存到x19

	/*
	 * Compare sp with the base of the task stack.
	 * If the top ~(THREAD_SIZE - 1) bits match, we are on a task stack,
	 * and should switch to the irq stack.
	 */
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
	ldr	x25, [tsk, TSK_STACK]
	eor	x25, x25, x19
	and	x25, x25, #~(THREAD_SIZE - 1)
	cbnz	x25, 9998f
#else
	and	x25, x19, #~(THREAD_SIZE - 1)
	cmp	x25, tsk
	b.ne	9998f
#endif

	adr_this_cpu x25, irq_stack, x26
	mov	x26, #IRQ_STACK_START_SP     //IRQ_STACK_START_SP這是irq mode的棧位址
	add	x26, x25, x26

	/* switch to the irq stack */
	mov	sp, x26     //将irq棧位址，寫入到sp

	/*
	 * Add a dummy stack frame, this non-standard format is fixed up
	 * by unwind_frame()
	 */
	stp     x29, x19, [sp, #-16]!
	mov	x29, sp

9998:
	.endm
           
/*
 * x19 should be preserved between irq_stack_entry and
 * irq_stack_exit.
 */
.macro	irq_stack_exit
mov	sp, x19     //x19儲存着svc mode下的棧，也就是EL1_SP
.endm

那麼irq的棧在哪設定的，多大呢？

在irq.h中定義了，irq棧的位址和size

#define IRQ_STACK_SIZE			THREAD_SIZE
#define IRQ_STACK_START_SP		THREAD_START_SP

thread_info.h中定義了大小

#define THREAD_SIZE		16384     //也就是irq棧的大小大概15k
#define THREAD_START_SP		(THREAD_SIZE - 16)    //也就是irq棧的首位址是從"0位址+15k"這個地方開始的

2、linux kernel中的棧stack

(1)、概念介紹：核心棧、核心空間程序棧、使用者空間程序棧

使用者空間程序棧、核心空間程序棧

對于一個應用程式而言，可以運作在使用者空間，也可以通過系統調用進入核心空間。在使用者空間，使用的是使用者棧，也就是我們軟體工程師編寫使用者空間程式的時候，儲存局部變量的stack。陷入核心後，當然不能用使用者棧了，這時候就需要使用到核心棧。所謂核心棧其實就是處于SVC mode時候使用的棧。

核心棧

在linux最開始啟動的時候，系統隻有一個程序（更準确的說是kernel thread），就是PID等于0的那個程序，叫做swapper程序（或者叫做idle程序）。

(2)、核心棧 的實作

核心棧是靜态定義的，如下：

（kernel-4.14/arch/arm/include/asm/thread_info.h）
  #define init_thread_info	(init_thread_union.thread_info)
  #define init_stack		(init_thread_union.stack)
           
(kernel-4.14/include/linux/sched.h)
union thread_union {
#ifndef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
	struct thread_info thread_info;
#endif
	unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
};
(2)、核心程序棧、使用者程序棧 的實作

Linux kernel在核心線程，或使用者線程時都會配置設定一個page frame，具體代碼如下：

(kernel-4.14/kernel/fork.c)
static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig, int node)
{
......
	stack = alloc_thread_stack_node(tsk, node);
	if (!stack)
		goto free_tsk;
......
}

底部是struct thread_info資料結構，頂部（高位址）就是該程序的棧了。

當程序切換的時候，整個硬體和軟體的上下文都會進行切換，這裡就包括了svc mode的sp寄存器的值被切換到排程算法標明的新的程序的核心棧上來

3、總結

linux kernel arm32中定義的irq棧，其實就在一個static struct stack結構體變量中，大小為12bytes. irq_hander使用svc棧

linux kernel arm64中定義的irq棧，在記憶體"首位址"處，大小16k. irq_hander使用irq棧

linux kernel kernel stack 棧 核心棧
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