》朋友们，我是笨叔。笨叔每天都想和大家分享一点点，可能是傻的，可能是傻的，可能是甜的，也可能是酸的小点点滴滴，记录下每一刻每一天的小感悟就像细雨滴，慢慢汇入江海！”上次提到LinuxCon大会，这种大会就像笨叔叔说的，“听你说的，胜过读十年书”。笨叔叔有幸拜访了北京Linux社区的一位老人，聆听了他鲜为人知的80、90年代CPU处理器架构和Linux操作系统的历史，以及他对生活和科技的感悟。.在聊天中，他提到为什么ARM32处理器需要7种处理器模式，而且每种处理器模式都需要一个独立的栈空间？比如irq模式，为什么ARM32设计需要一个独立的irq模式，而这个irq模式只是12字节？为什么不和SVC模式共用一个栈？比如x86等传统经典处理器架构中，irq是没有独立栈的thinking.这篇文章是一个介绍，希望有兴趣的小伙伴在文末留言发表你的看法01ARM32上的设计——来看看ARM32，如果发生irq中断，怎么处理ARM32处理器句柄呢？我们知道ARM32有很奇妙的7种工作模式：如上图所示，在ARMV6之前，ARM处理器有7种模式。普通内核运行在SVC模式，用户态app运行在User态，其他就是我们常说的IRQ中断，FIQ中断和几种异常模式。如果与x86相比，x86只有ring0~ring3四个特权级，内核运行在ring0，用户态运行在ring3，不区分SVC模式，IRQ模式等。我们正在看ARMv7的改进。不论安全模式，在非安全或正常世界中，ARMv7在继续使用7种模式的基础上区分了PL0模式、PL1和PL2模式。PL表示特权级别。简单的说：PL0模式：用户模式，相当于之前的USER模式PL1操作系统模式：包括之前的SVC模式，IRQ模式，FIQ模式PL2虚拟化模式：一种新的模式，有点类似于x86上的虚拟化扩展Root模式如果ARM32的设计是合理的，我们来看看ARMv8中的设计。ARMv8完全摒弃了ARMv7以前的做法，连名字都该换了。现在叫EL，也就是异常级别，每个EL级别的异常也变了。更名后，每个EL级别的管辖和权利都不同。是不是很像x86中的ring0~ring3？谁告诉你x86在PC和服务器上如此流行？所以，对于x86的优势，ARM当然要努力学习。除此之外，SVC、IRQ、FIQ等七种模式都被完全抛弃，这点与ARMv7有很大的不同。现在在ARMv8上，异常分为两种：同步异常：比如MMU的一些访问权限问题异步异常：就是常见的IRQ，FIQ，ERR还有一点，在ARMv8中，不再设置专用的exceptiontypeforeachexceptiontype例如IRQ没有单独的栈，当前栈只有每个EL一个栈。02ARM32中断栈—ARM32中断发生后，IRQ栈和SVC栈的情况如下：上图是Linux内核中的ARM32，当IRQ发生时，栈发生变化，可以看《奔跑吧Linux内核》第621~626页.一般来说，IRQ模式下的堆栈值保存的是中断发生处SPSR、LR、SP_IRQ这三个寄存器的内容。然后切换到SVC模式，将通用寄存器进一步保存到SVC的栈空间。所以在ARM32中，中断发生后，实际上使用了两种模式的栈，一种是IRQ模式栈，一种是SVC模式栈。这个SVC栈其实就是Linux内核中的内核栈。那么在X86中是怎样的呢？x86处理器中有一个TSS（TaskStateSegment）。当中断发生时，用户进程要么处于用户态（特权级3），要么处于内核态（特权级0）。如果是在用户态，就会发生栈。切换的问题，也就是会切换到内核态的栈，如果是内核态，那么就不存在栈切换的问题。但是x86处理器只有一个特权级0的ESP，也就是说中断发生后，只能使用一个栈，这个栈就是内核栈（kernelstack）。处理器的硬件逻辑会将被中断进程的下一条指令（CS、EIP）和EFLAG压入堆栈。当然，如果发生了从用户态栈到内核态栈的切换，处理器也会将用户态（SS，ESP）也压入栈中，此时使用的是内核栈。这种行为属于处理器的硬件逻辑范畴，不属于系统软件的行为。另一方面，Linux内核现在支持在x86或其他架构中分离内核栈和中断栈的方法。当然，这里所说的中断栈并不是本文所说的CPU内部的中断栈，而是类似于内核栈的栈，即在中断处理程序中，与SVC模式下使用的内核栈是分开的。这是内核设计的问题。总之，中断栈可以和内核栈共享，也可以重新分配一个独立的中断栈。但不利因素是，如果中断栈嵌套，可能会破坏内核栈中的部分数据。因为毕竟是共享的，栈空间有时难免会被拉长。所以在x86Linux中，一直采用独立的内核栈设计。系统中的每个进程都会有自己的内核栈，系统中的每个CPU都会准备两个独立的中断栈来进行中断处理，即hardirqstack和softirqstack。注意这是一个OS设计问题，不是我们今天要讨论的CPU硬件设计上的中断栈分离问题。下面是Linux内核中x86架构使用独立中断栈的补丁。https://git.kernel.org/pub/sc...为什么ARM32要为IRQ模式设置一个单独的12字节栈，而不是在SVC模式下多路复用栈？笨叔翻遍了ARM相关的技术文档，也没找到答案。我猜可能是因为一个重要的原因是ARM32架构是在1990年代设计的。那个时代的ARM处理器相当慢。单个IRQ栈可以提高中断的响应速度，尤其是早期ARM处理器的主要应用场景是嵌入式系统，支持中断嵌套。从上面x86的分离中断栈的patch来看，分离中断栈确实有很多优点，至少可以保证SVC模式下的栈不会溢出。那么究竟是ARM32的设计先进，还是ARMv8、x86的设计理念先进？是进步还是倒退？我有点糊涂了！笨叔抛砖引玉，希望有兴趣的同学稍后留言，一起探讨。
