驱动程序如何使用 MONITOR 指令（_mm_monitor 内在）？

Question

我正在探索MONITOR 指令（或等效的内在函数_mm_monitor）的用法。虽然我找到了描述它们的文献，但我找不到任何关于如何使用它的具体示例/示例。

谁能分享如何在驱动程序中使用此指令/内在函数的示例？本质上，我想用它来观察内存范围。

Answer 1

monitor 指令使用RAX/EAX/AX 中指定的地址武装地址监控硬件。^{来自英特尔的引述}
监视器的状态由指令mwait使用。

使用的有效地址大小（16、32 或 64 位）取决于编码指令的有效地址大小（即可以用 67h 前缀覆盖它，默认情况下它与代码大小相同)。

rax/eax/ax 中给出的地址是逻辑地址的偏移部分，用于计算用于启动监视器的线性地址。
段部分默认为ds，可以应用段覆盖前缀来更改段。
作为用于监视器的线性地址，分页不会影响监视。

monitor（和mwait）指令的可用性由位CPUID.01H:ECX.MONITOR[bit 3]¹指示。 这是一个特权指令，但英特尔声称：

指令在大于 0 的级别有条件地可用。

检测这种情况的建议方法是尝试执行monitor 并处理最终的#UD 异常（以操作系统的自定义方式将其报告给用户程序）。

监控的地址范围必须是可写回缓存的。
由于涉及高速缓存和高速缓存一致性子系统，地址范围的大小以最小和最大大小给出。
CPUID.01H:EAX[bit 15: 0] 给出最小范围大小。这是硬件监视器监视的区域的长度。
但是，缓存一致性流量可能适用于更大尺寸的“块”（行），并且如果后者包含在前者中，则与受监控区域相邻的写入仍会触发它。
这会产生最大范围大小，可以在 CPUID.01H:EBX[bit 15:0] 中找到。
要正确使用monitor，请确保监控的数据结构适合最小范围大小，但还要确保没有代理写入它旁边的地址直到最大范围大小。

例如，如果最小范围大小是 8 个字节，最大大小是 16 个字节，请确保观察到的结构适合 8 个字节，但要再填充 8 个字节以达到总共 16 个字节，这样就不会从出现第 8 到第 16 个字节。

在单个集群系统中，以上两个值相等。我的都是 64 字节。
BIOS 负责在多集群系统中报告IA32_MONITOR_FILTER_LINE_SIZE 中的高速缓存一致性行大小。

出于指令顺序和访问权限的目的，monitor 是一个负载。

monitor 允许程序员指定提示和扩展。
扩展名在ecx 中指定，而提示在edx 中。
不受支持的扩展会引发 #GP 异常，不受支持的提示将被忽略。
我不知道monitor 的任何扩展或提示，英特尔手册报告

奔腾 4 处理器（系列 15，型号 3），未定义扩展或提示。

我相信这条线总体上是正确的，它只是其中有一个过时的处理器型号。
此外，monitor 的伪代码报告了 #GP If ECX ≠ 0.

在不检查其状态的情况下启动监视器（使用mwait）不会造成任何伤害。

内在函数是void _mm_monitor(void const *p, unsigned extensions,unsigned hints)。

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监视器布防后，可以通过不同的条件触发：

• 外部中断：NMI、SMM、INIT、BINIT、MCERR
• 故障、中止，包括机器检查
• 架构 TLB 失效，包括写入 CR0、CR3、CR4 和某些 MSR 写入
• 由于快速系统调用和远调用导致的自愿转换
• 屏蔽中断（如果启用）
• 在受监控的地址范围内写入

监视器的状态对程序员是不可见的，但可以用mwait 进行测试。
mwait 进入实现定义的低功耗状态，直到监视器处于触发状态。
如果监视器未进入待命状态或者它已经被触发mwait 是nop，否则它会使处理器停止执行指令，直到监视器被触发。

mwait 也可以被赋予扩展和提示。
扩展在ecx 中设置，在eax 中设置提示。
在撰写本文时，唯一的扩展是：

位 0 即使被屏蔽（例如，即使 EFLAGS.IF=0），也将中断视为中断事件。仅当 CPUID.05H:ECX[bit 1] = 1.
Bits 31-1 保留

提示让程序员指定实现定义的低功耗模式。

位 3:0 一个 C 状态中的子 C 状态，由位 [7:4] 指示
位 7:4 目标 C 状态
值为 0 表示 C1； 1 表示 C2 以此类推
01111B 的值表示 C0
注意：MWAIT 扩展的目标 C 状态是特定于处理器的 C 状态，而不是 ACPI C 状态

C 模式的子状态数（因此是可用性）在 CPUID.05h.EDX 中给出：

位 03 - 00：使用 MWAIT 支持的 C0* 子 C 状态的数量。
位 07 - 04：使用 MWAIT 支持的 C1* 子 C 状态的数量。
位 11 - 08：使用 MWAIT 支持的 C2* 子 C 状态的数量。
位 15 - 12：使用 MWAIT 支持的 C3* 子 C 状态的数量。
位 19 - 16：使用 MWAIT 支持的 C4* 子 C 状态的数量。
位 23 - 20：使用 MWAIT 支持的 C5* 子 C 状态的数量。
位 27 - 24：使用 MWAIT 支持的 C6* 子 C 状态的数量。
位 31 - 28：使用 MWAIT 支持的 C7* 子 C 状态的数量。

请注意，将 CPU 置于高于 C1 的状态也会禁用其他线程，因此触发监视器的写入必须来自其他代理。

内在函数是void _mm_mwait(unsigned extensions, unsigned hints)。

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monitor/mwait 机制是为了帮助线程之间的同步而引入的，它不太适合监视对内存范围的访问，因为触发条件包括频繁发生的事件。
在 mwait 之后始终强制检查是否已写入受监视范围。
有一个example here，其模式如下：

1. 被监视的结构被初始化为一个特定的值（比如 0）。
2. 使用了monitor/mwait 对。
3. 稍后，另一个人再次将特定值（例如 1）写入监视的结构。
4. 监视器被触发并且mwait“返回”，被监视的结构值与1（发生写入）比较，如果不相等则执行跳回2。

一些示例，未经测试伪代码可能是：

struct MonitoredType
{
  int (*event)(struct MonitoredType const* m);              /*Return 0 to keep monitoring*/
  struct AnyType data;                                /*Less, in size, than MIN_MONITOR_RANGE*/
  char padding[MAX_MONITOR_RANGE - sizeof(AnyType)];
};

void wait_for_write(struct MonitoredType const* m)
{
   /* This may miss a write if it happens before MONITOR, beware of race conditions if necessary */
   do
   {
     _mm_monitor(&m->data, 0, 0);
     _mm_mwait(0, 0);
   } while ( ! m->event(m));
}

必须注意确保mwait 的退出条件是写入事件，而不是其他事件之一。
这就是函数指针event 的原因。

为了监控对线性地址的写入/读取，另一种方法是使用调试寄存器。
请参阅Intel manual 3 的第 17 章并检查您的操作系统文档以正确使用这些寄存器。

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¹ 含义：执行cpuid，将eax设置为01h，然后测试ecx的第3位。请注意IA32_MISC_ENABLE 允许操作系统或固件禁用monitor/mwait。