Labs 導(dǎo)讀

標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素，了解一些x86架構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)大家后續(xù)了解電信云關(guān)鍵技術(shù)，尤其是掌握虛擬化技術(shù)原理和關(guān)鍵優(yōu)化方案是必須具備的。本文接著上篇從x86架構(gòu)的中斷和異常、IO架構(gòu)等部分進(jìn)行闡述講解。

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1、中斷與異常

程序的執(zhí)行往往不只是按順序執(zhí)行那么簡(jiǎn)單，一些異常和中斷會(huì)打斷順序執(zhí)行的程序流，轉(zhuǎn)而進(jìn)入一條完全不同的執(zhí)行路徑。中斷提供給外部設(shè)備一種“打斷CPU當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)，并響應(yīng)自身服務(wù)”的手段。中斷(interrupt)是異步的事件，典型的比如由I/O設(shè)備觸發(fā);異常(exception)是同步的事件，典型的比如處理器執(zhí)行某條指令時(shí)發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)了等等，其實(shí)異常的本質(zhì)就是同步中斷。

中斷通常被定義為一個(gè)打斷CPU芯片指令執(zhí)行的事件，該事件對(duì)應(yīng)到CPU芯片內(nèi)部或者外部的電路產(chǎn)生的電子信號(hào)。

中斷信號(hào)可以被劃分為同步中斷和異步中斷：

• 同步中斷，該類型中斷由CPU的控制單元在執(zhí)行指令的時(shí)候產(chǎn)生，并且是在當(dāng)前指令執(zhí)行完畢下一個(gè)指令執(zhí)行之前產(chǎn)生。
• 異步中斷，該類型中斷由其他硬件設(shè)備在任意的時(shí)間產(chǎn)生，并且遵循CPU的時(shí)鐘信號(hào)傳遞給CPU。

對(duì)于Intel的CPU而言，它將同步中斷稱作異常，而將異步中斷稱作中斷。

通常中斷(即異步中斷)由時(shí)鐘定時(shí)器或者其他I/O設(shè)備產(chǎn)生，如鍵盤(pán)接收到敲擊某個(gè)按鍵的信號(hào)后產(chǎn)生的中斷信號(hào)。而異常(即同步中斷)則通常由于編程錯(cuò)誤或者由CPU檢測(cè)到異常條件需要內(nèi)核進(jìn)行處理而產(chǎn)生，如上面講到的Page Fault Exception(缺頁(yè)異常)，異?？梢杂沙绦蛲ㄟ^(guò)int或者sysenter指令主動(dòng)產(chǎn)生。

對(duì)于Intel x86 CPU而言，它將中斷和異常進(jìn)行了如下歸類：

中斷，即異步中斷，中斷信息隨著CPU的時(shí)鐘信號(hào)傳遞到CPU內(nèi)部。中斷分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷兩類。

• 可屏蔽中斷，所有由I/O設(shè)備產(chǎn)生的IRQ請(qǐng)求都被歸為可屏蔽中斷。一個(gè)可屏蔽中斷可以有兩種狀態(tài)，屏蔽或者不屏蔽，當(dāng)一個(gè)中斷被屏蔽時(shí)，該中斷信號(hào)將被對(duì)應(yīng)的控制單元所忽略。
• 不可屏蔽中斷，即控制單元無(wú)法忽略該類型的中斷信號(hào)，CPU肯定會(huì)接收到該類型的中斷，一般對(duì)應(yīng)到一些緊要的事件，比如硬件錯(cuò)誤。

異常，即同步中斷，中斷信號(hào)在CPU執(zhí)行完某個(gè)指令后產(chǎn)生并接收到。處理器檢測(cè)到的異常，即當(dāng)CPU執(zhí)行指令的時(shí)候檢測(cè)到硬件上存在一些異常條件的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生該信號(hào)。這種類型的異常根據(jù)產(chǎn)生時(shí)在內(nèi)核堆棧中保存的EIP寄存器的值(即異常恢復(fù)后CPU重新執(zhí)行的位置)進(jìn)行細(xì)分：

• Faults，該異常可以被內(nèi)核正確糾正，并且糾正后重新執(zhí)行引起該異常的指令時(shí)不會(huì)造成程序的中斷或者功能的異常。這時(shí)候保存到EIP寄存器的值是引起異常的指令的地址，故異常恢復(fù)的時(shí)候會(huì)重新執(zhí)行該指令，如Page Fault Exception(缺頁(yè)異常)，當(dāng)訪問(wèn)的內(nèi)存地址沒(méi)有被映射到物理內(nèi)存時(shí)，產(chǎn)生異常，內(nèi)核分配新的物理內(nèi)存頁(yè)并建立映射關(guān)系，然后異常處理完畢后，CPU重新訪問(wèn)該地址，即可訪問(wèn)到正確的物理內(nèi)存。
• Traps，該異常發(fā)生時(shí)，內(nèi)核堆棧EIP寄存器保存的地址指向引起該異常的指令的下一條指令，即當(dāng)該異常處理返回后會(huì)繼續(xù)程序的執(zhí)行，而不是重新執(zhí)行引起異常的指令。x86 CPU的硬件虛擬化功能就是利用陷入(Traps)再模擬的方法，當(dāng)CPU執(zhí)行虛擬機(jī)指令的時(shí)候，如果執(zhí)行的是敏感指令，就會(huì)觸發(fā)Traps類型的異常，讓VMM(Virtual Machine Monitor)對(duì)該敏感指令進(jìn)行模擬，然后繼續(xù)恢復(fù)虛擬機(jī)的運(yùn)行。
• Aborts，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤時(shí)，CPU已經(jīng)無(wú)法保證內(nèi)核堆棧中EIP寄存器存放的值是引起該異常的指令的地址。該異常用于匯報(bào)嚴(yán)重的錯(cuò)誤，如硬件錯(cuò)誤或者是內(nèi)存的不一致性。該異常信號(hào)讓CPU切換到相應(yīng)的abort exception handler，該處理函數(shù)由于無(wú)法確認(rèn)錯(cuò)誤，只能結(jié)束當(dāng)前進(jìn)程。

我們?cè)趯?xiě)程序時(shí)，經(jīng)常會(huì)在容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的地方進(jìn)行異常拋出，然后針對(duì)拋出的異常定義執(zhí)行策略。這類編程產(chǎn)生的異常，由程序主動(dòng)執(zhí)行int或者int3之類的指令產(chǎn)生。CPU像處理Traps一樣處理這些程序主動(dòng)產(chǎn)生的異常，該類異常通常被稱為軟件中斷(software interrupt)。這類異常主要有兩種用途：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用和通知某個(gè)debugger特定的事件發(fā)生。

這些異?；蛑袛嘤?~255的數(shù)字唯一標(biāo)識(shí)，也就是經(jīng)常說(shuō)的中斷信號(hào)量。對(duì)于不可屏蔽中斷和異常來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的中斷信號(hào)量是固定的，而可屏蔽中斷對(duì)應(yīng)的中斷信號(hào)量則可以通過(guò)設(shè)置中斷控制器來(lái)更改。

2、x86系統(tǒng)的I/O架構(gòu)

計(jì)算機(jī)所處理的任務(wù)其實(shí)只有兩種：CPU運(yùn)算和I/O操作。這部分內(nèi)容是后續(xù)學(xué)習(xí)計(jì)算虛擬化中I/O虛擬化的基礎(chǔ)。I/O(輸入/輸出)是CPU訪問(wèn)外部設(shè)備的方法。設(shè)備通常通過(guò)寄存器和設(shè)備RAM將自身功能展現(xiàn)給CPU，CPU通過(guò)讀/寫(xiě)這些寄存器和RAM完成對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)及其他操作。按訪問(wèn)方式的不同，x86架構(gòu)的I/O分為如下兩類：

2.1 端口I/O(后文簡(jiǎn)稱為Port I/O)

即通過(guò)I/O端口訪問(wèn)設(shè)備寄存器。x86有65536個(gè)8位的I/O端口，編號(hào)為0x0~0xFFFF。CPU將端口號(hào)作為設(shè)備端口的地址，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。這65536個(gè)端口構(gòu)成了64KB的I/O端口地址空間。I/O端口地址空間是獨(dú)立的，不是線性地址空間或物理地址空間的一部分。需要使用特定的操作命令I(lǐng)N/OUT對(duì)端口進(jìn)行訪問(wèn)，此時(shí)CPU通過(guò)一個(gè)特殊的芯片管腳標(biāo)識(shí)這是一次I/O端口訪問(wèn)，于是芯片組知道地址線上的地址是I/O端口號(hào)并相應(yīng)地完成操作。此外，2個(gè)或4個(gè)連續(xù)的8位I/O端口可以組成16位或32位的I/O端口。

2.2 內(nèi)存映射I/O(Memory Map I/O，后文簡(jiǎn)稱為MMIO)

即通過(guò)內(nèi)存訪問(wèn)的形式訪問(wèn)設(shè)備寄存器或設(shè)備RAM。MMIO要占用CPU的物理地址空間，它將設(shè)備寄存器或設(shè)備RAM映射到物理地址空間的某段地址，然后使用MOV等訪存指令訪問(wèn)此段地址，即可訪問(wèn)到映射的設(shè)備。MMIO方式訪問(wèn)設(shè)備也需要進(jìn)行線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，但是這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的MMIO地址不可緩存到TLB中。MMIO是一種更普遍、更先進(jìn)的I/O訪問(wèn)方式，很多CPU 架構(gòu)都沒(méi)有Port I/O，采用統(tǒng)一的MMIO方式。

3、DMA技術(shù)

直接內(nèi)存訪問(wèn)(Direct Memory Access，后文簡(jiǎn)稱為DMA)是所有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的重要特色。DMA允許設(shè)備繞開(kāi)CPU直接向內(nèi)存中復(fù)制或讀取數(shù)據(jù)。如果設(shè)備向內(nèi)存復(fù)制數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)CPU，則CPU會(huì)有大量中斷負(fù)載，中斷過(guò)程中，CPU對(duì)其他任務(wù)來(lái)講無(wú)法使用，不利于系統(tǒng)性能的提高。通過(guò)DMA，CPU只負(fù)責(zé)初始化這個(gè)傳輸動(dòng)作，而傳輸動(dòng)作本身由DMA 控制器(簡(jiǎn)稱為DMAC)來(lái)實(shí)行和完成。在實(shí)現(xiàn)DMA傳輸時(shí)，由DMAC直接控制總線，在DMA傳輸前，CPU要把總線控制權(quán)交給DMAC，結(jié)束DMA傳輸后，DMAC立即把總線控制權(quán)交回給CPU。

一個(gè)完整的DMA 傳輸過(guò)程的基本流程如下：

• DMA請(qǐng)求：CPU對(duì)DMAC進(jìn)行初始化，并向I/O端口發(fā)出操作命令，I/O端口提出DMA請(qǐng)求。
• DMA響應(yīng)：DMAC對(duì)DMA請(qǐng)求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判別和屏蔽判別，然后向總線控制芯片提出總線請(qǐng)。CPU執(zhí)行完當(dāng)前總線周期后釋放總線控制權(quán)。此時(shí)，總線控制芯片發(fā)出總線應(yīng)答，表示DMA請(qǐng)求已被響應(yīng)，并通過(guò)DMAC通知I/O端口開(kāi)始DMA傳輸。
• DMA傳輸：DMAC獲得總線控制權(quán)后，CPU即可掛起或只執(zhí)行內(nèi)部操作，由DMAC發(fā)出讀/寫(xiě)命令，直接控制RAM與I/O端口進(jìn)行DMA傳輸。
• DMA結(jié)束：當(dāng)完成規(guī)定的成批數(shù)據(jù)傳送后，DMAC釋放總線控制權(quán)，并向I/O端口發(fā)出結(jié)束信號(hào)。當(dāng)I/O端口接收到結(jié)束信號(hào)后，停止I/O設(shè)備的工作并向CPU提出中斷請(qǐng)求，使CPU執(zhí)行一段檢查本次DMA傳輸操作正確性判斷的代碼，并從不介入的狀態(tài)退出。

由此可見(jiàn)，DMA無(wú)須CPU直接控制傳輸，也沒(méi)有中斷處理方式那樣保留現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程，通過(guò)硬件(DMAC)為RAM與I/O設(shè)備開(kāi)辟了一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，極大地提高了CPU效率。需要注意的是，DMA操作訪問(wèn)的必須是連續(xù)的物理內(nèi)存。DMA 傳輸?shù)倪^(guò)程如下圖所示。

DMA技術(shù)

4、進(jìn)程、線程和協(xié)程

4.1 什么是進(jìn)程和線程

進(jìn)程是什么呢?大白話講，進(jìn)程就是應(yīng)用程序的啟動(dòng)實(shí)例。比如我們運(yùn)行一個(gè)游戲，打開(kāi)一個(gè)軟件，就是開(kāi)啟了一個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程擁有代碼和打開(kāi)的文件資源、數(shù)據(jù)資源、獨(dú)立的內(nèi)存空間。

線程又是什么呢?線程從屬于進(jìn)程，是程序的實(shí)際執(zhí)行者。一個(gè)進(jìn)程至少包含一個(gè)主線程，也可以有更多的子線程。線程擁有自己的棧空間。

進(jìn)程示意圖

對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，線程是最小的執(zhí)行單元，進(jìn)程是最小的資源管理單元。無(wú)論進(jìn)程還是線程，都是由操作系統(tǒng)所管理的。線程一般具有五種狀態(tài)：初始化>>>可運(yùn)行>>>運(yùn)行中>>>阻塞>>>銷毀。線程不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化均需要CPU開(kāi)銷來(lái)完成。

4.2 什么是協(xié)程

協(xié)程英文Coroutines，是一種比線程更加輕量級(jí)的存在。正如一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)線程一樣，一個(gè)線程也可以擁有多個(gè)協(xié)程。最重要的是，協(xié)程不是被操作系統(tǒng)內(nèi)核所管理，而完全是由程序所控制(也就是在用戶態(tài)執(zhí)行)。這樣帶來(lái)的好處就是性能得到了很大的提升，不會(huì)像線程切換那樣消耗資源。

協(xié)程示意圖

在Python語(yǔ)言中有個(gè)生成器的概念，里面有個(gè)關(guān)鍵字yield，當(dāng)程序執(zhí)行到y(tǒng)ield關(guān)鍵字時(shí)，會(huì)暫停在那一行，等到主線程調(diào)用send方法發(fā)送了數(shù)據(jù)，協(xié)程才會(huì)接到數(shù)據(jù)繼續(xù)執(zhí)行。但是，yield讓程序暫停，和線程的阻塞是有本質(zhì)區(qū)別的。通過(guò)yield關(guān)鍵字的暫停完全由程序控制，線程的阻塞狀態(tài)是由操作系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)進(jìn)行切換。大家可以在Python腳本中寫(xiě)入如下代碼并執(zhí)行體驗(yàn)下：

 
 
 
 

  
  
  
  
def consume(): 
  
  
  
  
    while True: 
  
  
  
  
          # consume等待接收數(shù)據(jù) 
  
  
  
  
          number = yield 
  
  
  
  
          print("我要執(zhí)行啦。。。。開(kāi)始計(jì)數(shù)：",number) 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 consumer = consume() 
  
  
  
  
 
  
  
  
  
 next(consumer)  
  
  
  
  
 
  
  
  
  
for num in range(0,100): 
  
  
  
  
    print("開(kāi)始執(zhí)行：",num) 
  
  
  
  
    consumer.send(num)  
 
 
 
 

協(xié)程Python代碼

NFV關(guān)鍵技術(shù)：X86架構(gòu)基礎(chǔ)(上篇)

【本文為專欄作者“移動(dòng)Labs”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】

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