Linux内核中浮点的使用

Question

我正在阅读 Robert Love 的“Linux Kernel Development”，我偶然发现了以下段落：

不（容易）使用浮点数

当用户空间进程使用浮点指令时，内核管理从整数到浮点模式的转换。内核在使用浮点指令时必须做的事情因架构而异，但内核通常会捕获一个陷阱，然后启动从整数模式到浮点模式的转换。

与用户空间不同，内核没有对浮点的无缝支持，因为它不能轻易地陷入困境。在内核中使用浮点需要手动保存和恢复浮点寄存器，以及其他可能的琐事。简短的回答是：不要这样做！ 除了在极少数情况下，内核中没有浮点运算。

我从未听说过这些“整数”和“浮点”模式。它们到底是什么，为什么需要它们？这种区别是否存在于主流硬件架构（例如 x86）上，还是特定于一些更奇特的环境？从进程和内核的角度来看，从整数模式到浮点模式的转换究竟需要什么？

Answer 1

因为……

• 许多程序不使用浮点或不在任何给定的时间片上使用它； 和
• 保存 FPU 寄存器和其他 FPU 状态需要时间； 因此

...操作系统内核可能会简单地关闭 FPU。 Presto，无需保存和恢复状态，因此可以更快地进行上下文切换。 （这就是 mode 的意思，它只是表示启用了 FPU。）

如果程序尝试 FPU 操作，程序将陷入内核，内核将打开 FPU，恢复任何可能已经存在的已保存状态，然后返回以重新执行 FPU 操作。

在上下文切换时，它知道实际执行状态保存逻辑。 （然后它可能会再次关闭 FPU。）

顺便说一句，我认为这本书对内核（而不仅仅是 Linux）避免 FPU 操作的原因的解释......并不完全准确。¹

内核可以陷入自身并在很多事情上这样做。 （定时器、页面错误、设备中断等。）真正的原因是内核并不特别需要 FPU 操作，并且还需要在根本没有 FPU 的架构上运行。因此，它只是避免了管理自己的 FPU 上下文所需的复杂性和运行时间，因为它不执行总是有其他软件解决方案的操作。

有趣的是，如果内核想要使用 FP ，则必须多久保存一次 FPU 状态。 . . 每个系统调用、每个中断、每个内核线程之间的切换。即使偶尔需要内核 FP，² 在软件中执行它可能会更快。

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1. 也就是说，错了。
2. 我知道内核软件包含浮点算术实现的几个案例。 一些架构在硬件中实现了传统的 FPU 操作，但将一些复杂的 IEEE FP 操作留给了软件。 （想想：非正规算术。）当一些奇怪的 IEEE 极端情况发生时，它们会陷入软件，该软件包含可以陷阱的操作的迂腐正确仿真。

Answer 2

在某些内核设计中，当“内核”或“系统”任务被任务切换出去时，浮点寄存器不会被保存。 （这是因为 FP 寄存器很大，需要时间和空间来节省。）所以如果你尝试使用 FP，值会随机“噗”。

此外，一些硬件浮点方案依赖内核通过陷阱来处理“奇数”情况（例如，零除法），并且所需的陷阱机制可能处于比内核任务更高的“级别”正在运行。

由于这些原因（以及更多原因），当您在任务中首次使用 FP 指令时，一些硬件 FP 方案会陷入困境。如果允许您使用 FP，则在任务中打开浮点标志，否则，您将被行刑队枪杀。