編者按：本文來自華辰連科技術團隊，分享了他們在將浮點運算放到核心態時的探索。
最近我們有一個需求，需要把使用者態的浮點數運算全部放到核心態執行，以提高執行速度，移植的過程中發現問題沒有這麼簡單，然後我們抽絲剝繭，揭開 Linux 對浮點處理的原理。
此文章的程式碼基於 x86 64 位 CPU，Linux 4。14 核心。
一、 Linux 核心新增浮點運算出現的問題
我們以一個簡單的浮點運算例子來說明：
#include
test_float。c
obj-m ：= test_float。oKDIR ：= /lib/modules/$（shell uname -r）/buildall：make -C $（KDIR） M=$（PWD） modules
Makefile
這個核心模組就是計算了兩個浮點數除的結果，然後將結果打印出來 。但是我們執行
make
編譯的時候發現報錯：
提示 SSE 暫存器返回的報錯資訊為 “SSE disabled”。我們執行
make V=1
檢視關鍵的編譯資訊：
我們發現在
gcc
的引數中有
-mno-sse -mno-mmx -mno-sse2
選項，原來
gcc
預設的編譯選項禁用了 sse、mmx、sse2 等浮點運算指令。
二、透過新增 gcc 編譯引數和 kernel_fpu_begin/kernel_fpu_end 來解決問題
為了讓核心支援浮點運算，我們在
Makefile
中新增支援 sse 等選項，原始碼中新增
kernel_fpu_begin
/
kernel_fpu_end
函式，修改後的原始碼如下所示：
#include
test_float。c
obj-m ：= test_float。oKDIR ：= /lib/modules/$（shell uname -r）/buildFPU_CFLAGS += -mhard-floatFPU_CFLAGS += -msse -msse2CFLAGS_test_float。o += $（FPU_CFLAGS）all：make -C $（KDIR） M=$（PWD） modules
Makefile
此時執行
make
，發現編譯正確通過了：
然後
insmod test_float。ko
，觀察
dmesg
的輸出：
從上面的例子，結合核心原始碼中
arch/x86/Makefile
中的
KBUILD_CFLAGS
，可以看到編譯核心及核心模組時，
gcc
選項繼承 Linux 中的規則，指定了
-mno-sse -mno-mmx -mno-sse2
，也就是禁用了 FPU 。所以，要想核心模組支援浮點運算，編譯選項需要顯式的指定
-msse -msse2
。
三、 Linux 核心態對浮點運算處理方式的分析
從上面可以看到，我們為了實現一個核心模組的浮點運算，添加了編譯引數
-mhard-float和-msse -msse2
，對於編譯引數來說，
-mhard-float
是告訴編譯器直接生成浮點運算的指令，而
-msse -msse2
則是告訴編譯器可以使用 sse/sse2 指令集來編譯程式碼。
kernel_fpu_begin
和
kernel_fpu_end
也是必須的，因為 Linux 核心為了提高系統的執行速率，在任務上下文切換時，只會儲存/恢復普通暫存器的值，並不包括 FPU 浮點暫存器的值，而呼叫
kernel_fpu_begin
主要作用是關掉系統搶佔，浮點計算結束後呼叫
kernel_fpu_end
開啟系統搶佔，這使得程式碼不會被中斷，從而安全的進行浮點運算，並且要求這之間的程式碼不能有休眠或排程操作，另外不得有巢狀的情況出現（將會覆蓋原始儲存的狀態，然後執行
kernel_fpu_end（）
最終將恢復錯誤的 FPU 狀態）。
void kernel_fpu_begin（void）{ preempt_disable； __kernel_fpu_begin；}
四、三角函式在 Linux 核心態的實現
由於核心態不支援浮點運算，所以像三角函式之類浮點運算都沒有實現，如果需要，可以將使用者態 glibc 中相關的三角函式的實現移植到核心態。
五、 Linux 使用者態對浮點運算處理方式的分析
為什麼使用者態浮點運算就不需要指定編譯選項以及顯式呼叫
kernel_fpu_begin
和
kernel_fpu_end
函式呢？我們在使用者態下寫一個簡單的帶浮點運算的例子：
#include
user_float。c
我們分別使用下面四條編譯指令檢視編譯出來的彙編：
gcc -S user_float。c
gcc -S user_float。c -msoft-float
gcc -S user_float。c -mhard-float
gcc -S user_float。c -msoft-float -mno-sse -mno-mmx -mno-sse2
前三條命令編譯成功。依次檢視編譯生成的彙編程式碼，發現生成的彙編程式碼是完全一樣的，都是用到了 sse 指令中的 mmx 暫存器，也就是使用到了 FPU。
第四條命令編譯失敗 ，提示
error： SSE register return with SSE disabled
。從上面的現象中我們可以得出結論，系統預設使用
gcc
編譯使用者態程式時，
gcc
預設使用 FPU，也就是使用硬浮點來編譯。
經過查閱各種文件和分析程式碼，x86 CPU 提供如下特性：CPU 提供的 TS 暫存器的第三個位是任務已切換標誌（Task Switched bit），CPU 在每次任務切換時會設定這個位。而且 TS 的這個位被設定時，當程序使用 FPU 指令時 CPU 會產生一個 DNA（Device Not Availabel）異常。Linux 使用此特性，當用戶態應用程式進行浮點運算時（SSE 等指令），觸發 DNA 異常，同時使用 FPU 專用暫存器和指令來執行浮點數功能，此時
TS_USEDFPU
標誌為 1，表示使用者態程序使用了 FPU。
void fpu__restore（struct fpu *fpu）{ fpu__initialize（fpu）； /* Avoid __kernel_fpu_begin right after fpregs_activate */ kernel_fpu_disable； trace_x86_fpu_before_restore（fpu）； fpregs_activate（fpu）； copy_kernel_to_fpregs（&fpu->state）； trace_x86_fpu_after_restore（fpu）； kernel_fpu_enable；}EXPORT_SYMBOL_GPL（fpu__restore）；
假設使用者態程序 A 使用到了 FPU 執行浮點運算，此時使用者態程序 B 被排程執行，那麼當程序 A 被排程出去的時候，核心設定 TS 並呼叫
fpu__restore
將 FPU 的內容儲存。當程序 A 恢復浮點運算執行時，觸發 DNA 異常，相應的異常處理程式會恢復 FPU 之前儲存的狀態。
假設使用者態程序 A 使用到了 FPU 執行浮點運算（
TS_USEDFPU
標誌為 1），此時核心態程序 C 排程並使用 FPU，由於核心只會儲存普通的暫存器的值，並不包括 FP 等暫存器的值，所以核心會主動呼叫
kernel_fpu_begin
函式儲存暫存器內容，使用完之後呼叫
kernel_fpu_end
。當用戶態程序 A 恢復浮點運算執行時，觸發 DNA 異常，相應的異常處理程式會恢復 FPU 暫存器的內容。
六、 結論
Linux 中當任務切換時，預設不儲存浮點器暫存器。
如果需要核心態支援浮點運算，需要增加支援浮點的編譯選項和使用
kernel_fpu_begin
和
kernel_fpu_end
函式手動處理上下文。
使用者態預設支援浮點運算，但是需要核心來輔助。
