En este artículo intentaré dar una breve descripción de qué es un cambio de contexto y en particular como lo implementa TORO en las versiones a partir de la 0.01. No hablaré acerca de cómo lo implementa TORO OS en las versiones 1.x.x, solo diré que utiliza cambio de contexto por hardware. En futuros artículos mostraré la implementación en pascal de todas estas ideas. Cualquier duda a las referencias! Diviértanse!.
Como sabemos el encargado de distribuir los hilos en un kernel es el planificador. A parte de implementar el algoritmo de planificación éste realiza el procedimiento de “cambio de contexto”. Al seleccionar un nuevo hilo, el planificador llena los registros del procesador con los valores que tenían justo antes de que el hilo invoque al núcleo (OJO este comentario está ligado al algoritmo de planificación de TORO que es el de hilo cooperativo).
Imagen 1. Procedimiento de carga de un Nuevo proceso.
En la arquitectura x86-64 algunos de los registros de uso general son RAX, RBX, RCX, etc. Además de éstos registros también deben ser actualizados algunos registros de sistema como son el CR3. Éstos guardan información acerca del directorio de páginas del hilo que va ser cargado. El procedimiento se denomina “Cambio de contexto” y es una operación crítica debido a que se ejecuta de forma continua por lo que debe ser muy rápida.
El procedimiento de cambio de contexto puede ser implementado tanto por software como por hardware.
Cuando se implementa por hardware, se hace uso de los mecanismos que brinda una arquitectura en particular para realizar el cambio de contexto. Por ejemplo, para la arquitectura x86, se utilizan las estructuras denominadas descriptores de tareas, estas se encuentran en la GDT (Global Descriptor Table) y cuando se debe cargar una nueva tarea simplemente se utiliza la instrucción “call” al descriptor de tarea (denominado en la literatura como TSS)[1].
Por otro lado, en la implementación por software, el cambio de contexto se realiza “a mano” y es una rutina escrita por el programador la encargada de salvar el valor de los registros.
A primera vista el cambio de contexto por hardware parece la opción más óptima debido a que no interviene el programador y se realiza de forma “automática”. Pero en general ocurre que en los cambios de contexto por hardware se guardan los valores de todos los registros, pero resulta que a veces no se están utilizando todos los registros. De esta forma la implementación por hardware puede no ser la más óptima.
Por este motivo el cambio de contexto implementado en TORO es por software, se utilizan técnicas de programación para no utilizar los mecanismos de cambio de contexto que brinda un hardware en particular. El planificador al seleccionar un nuevo hilo, carga en los registros del procesador los valores que corresponde al nuevo hilo, y luego comienza su ejecución; el hilo comienza su ejecución justo después del momento en que se llamó al procedimiento SysThreadSwitch.
Como el cambio de contexto se realiza siempre luego de haberse invocado a la función SysThreadSwitch, el planificador supone que en ese instante los registros del procesador no están siendo utilizados por la aplicación de usuario. De esta forma se limita únicamente a salvar el estado de la pila del hilo que debe ser removido. Para la implementación sobre la arquitectura x86-64, esto se logra salvando en la estructura TThread el valor del registro RSP, el cual guarda la posición dentro de la pila.
El cambio de contexto implementado en TORO es más rápido que el de hardware y que el implementado en un SO de uso general. La elección del método de cambio de contexto se encuentra directamente relacionado con el modelo de hilo cooperativo.
Así la utilización de cambio de contexto por software suma portabilidad y velocidad [2].
[1]. Intel. IA-32 Intel® Architecture Software Developer’s Manual. Vol3. 2004.
[2]. Osdev Wiki, Context Switching, http://wiki.osdev.org/Context_Switching.
Matias E. Vara
www.torokernel.org
