Использование плавающей запятой в ядре Linux

Я читаю Robert Love "Linux Kernel Development", и я наткнулся на следующий отрывок:

Нет (простое) использование плавающей точки

Когда в пользовательском пространстве используются команды с плавающей запятой, ядро управляет переходом от целочисленного к режиму с плавающей запятой. То, что ядро должно делать при использовании инструкций с плавающей запятой, зависит от архитектуры, но ядро обычно ловит ловушку, а затем инициирует переход от целочисленного к режиму с плавающей запятой.

В отличие от пользовательского пространства, ядро не имеет роскоши бесшовной поддержки для плавающей точки, потому что оно не может легко заманивать себя. Использование плавающей точки внутри ядра требует ручного сохранения и восстановления регистров с плавающей запятой, среди других возможных задач. Короткий ответ: не делайте этого! За исключением редких случаев, в ядре нет операций с плавающей запятой.

Я никогда не слышал об этих "целых" и "плавающих" режимах. Что именно они и зачем они нужны? Разве это различие существует на основных аппаратных архитектурах (например, x86), или оно специфично для некоторых более экзотических сред? Что именно означает переход от целочисленного к режиму с плавающей запятой, как с точки зрения процесса, так и ядра?

Ответ 1

Потому что...

многие программы не используют с плавающей запятой или не используют ее на любом данном временном фрагменте; и
сохранение регистров FPU и другого состояния FPU требует времени; Поэтому

... ядро ОС может просто отключить FPU. Presto, нет состояния для сохранения и восстановления и, следовательно, более быстрого переключения контекста. (Это то, что означает режим, это просто означает, что FPU включен.)

Если программа пытается выполнить операцию FPU, программа попадет в ядро, ядро включит FPU, восстановит любое сохраненное состояние, которое может уже существовать, а затем вернется для повторного выполнения операции FPU.

При переключении контекста времени он знает, что нужно пройти логику сохранения состояния. (И тогда он может снова отключить FPU.)

Кстати, я считаю, что объяснение книги по причине того, что ядра (а не только Linux) избегают операций FPU,... не совсем точны. ¹

Ядро может зацепиться за себя и сделать это для многих вещей. (Таймеры, ошибки страниц, прерывания устройства и т.д.). Настоящая причина в том, что ядру не нужны операторы FPU, а также нужно запускать на архитектурах без FPU. Поэтому он просто избегает сложности и времени выполнения, необходимых для управления своим собственным контекстом FPU, не выполняя операции, для которых всегда существуют другие программные решения.

Интересно отметить, как часто состояние FPU должно быть сохранено, если ядро захотелось использовать FP .,. каждый системный вызов, каждое прерывание, каждый коммутатор между потоками ядра. Даже если возникла необходимость в случайном ядре FP, ² скорее всего, это будет быстрее сделать это в программном обеспечении.

^{1. То есть, неверно.

2. Есть несколько случаев, когда я знаю, где программное обеспечение ядра содержит арифметическую реализацию с плавающей запятой. Некоторые архитектуры реализуют традиционные операционные системы FPU на оборудовании, но оставляют некоторые сложные операции IEEE FP для программного обеспечения. (Подумайте: аномальная арифметика.) Когда возникает какой-то нечетный случай с IEEE, они попадают в программное обеспечение, которое содержит педантическую правильную эмуляцию операционных систем, которые могут ловушки.}

Ответ 2

В некоторых версиях ядра регистры с плавающей запятой не сохраняются, когда задача "ядро" или "система" отключена. (Это связано с тем, что регистры FP являются большими и занимают как время, так и пространство для сохранения.) Поэтому, если вы попытаетесь использовать FP, значения будут беспорядочно выбраны "poof".

Кроме того, некоторые аппаратные схемы с плавающей запятой полагаются на ядро для обработки ситуаций с "странным" (например, с нулевым делением) через ловушку, а требуемый механизм ловушки может находиться на более высоком уровне, чем задача ядра в настоящее время работает.

По этим причинам (и еще парам) некоторые аппаратные схемы FP ловутся, когда вы впервые используете инструкцию FP в задаче. Если вам разрешено использовать FP, в задании включается флаг с плавающей запятой, если нет, вы снимаетесь расстрельной командой.