Linux內(nèi)核的處理器體系結(jié)構(gòu)的詳細(xì)資料說明

　　本章思考題

　　1．請簡述精簡指令集RISC和復(fù)雜指令集CISC的區(qū)別。

　　2．請簡述數(shù)值0x12345678在大小端字節(jié)序處理器的存儲器中的存儲方式。

　　3．請簡述在你所熟悉的處理器（比如雙核Cortex-A9）中一條存儲讀寫指令的執(zhí)行全過程。

　　4．請簡述內(nèi)存屏障（memory barrier）產(chǎn)生的原因。

　　5．ARM有幾條memory barrier的指令？分別有什么區(qū)別？

　　6．請簡述cache的工作方式。

　　7．cache的映射方式有full-associative（全關(guān)聯(lián)）、direct-mapping（直接映射）和set-associative（組相聯(lián)）3種方式，請簡述它們之間的區(qū)別。為什么現(xiàn)代的處理器都使用組相聯(lián)的cache映射方式？

　　8．在一個32KB的4路組相聯(lián)的cache中，其中cache line為32Byte，請畫出這個cache的cache line、way和set的示意圖。

　　9．ARM9處理器的Data Cache組織方式使用的VIVT，即虛擬Index虛擬Tag，而在Cortex-A7處理器中使用PIPT，即物理 Index物理Tag，請簡述PIPT比VIVT有什么優(yōu)勢？

　　10．請畫出在二級頁表架構(gòu)中虛擬地址到物理地址查詢頁表的過程。

　　11．在多核處理器中，cache的一致性是如何實(shí)現(xiàn)的？請簡述MESI協(xié)議的含義。

　　12．cache在Linux內(nèi)核中有哪些應(yīng)用？

　　13．請簡述ARM big.LITTLE架構(gòu)，包括總線連接和cache管理等。

　　14．cache coherency和memory consistency有什么區(qū)別？

　　15．請簡述cache的write back有哪些策略。

　　16．請簡述cache line的替換策略。

　　17．多進(jìn)程間頻繁切換對TLB有什么影響？現(xiàn)代的處理器是如何面對這個問題的？

　　18．請簡述NUMA架構(gòu)的特點(diǎn)。

　　19．ARM從Cortex系列開始性能有了質(zhì)的飛越，比如Cortex-A8/A15/A53/A72，請說說Cortex系列在芯片設(shè)計(jì)方面做了哪些重大改進(jìn)？

　　Linux 4.x內(nèi)核已經(jīng)支持幾十種的處理器體系結(jié)構(gòu)，目前市面上最流行的兩種體系結(jié)構(gòu)是x86和ARM。x86體系結(jié)構(gòu)以Intel公司的PC和服務(wù)器市場為主導(dǎo)，ARM體系結(jié)構(gòu)則是以ARM公司為主導(dǎo)的芯片公司占領(lǐng)了移動手持設(shè)備等市場。本書重點(diǎn)講述 Linux內(nèi)核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，但是離開了處理器體系結(jié)構(gòu)，就猶如空中樓閣，畢竟操作系統(tǒng)只是為處理器服務(wù)的一種軟件而已。目前大部分的Linux內(nèi)核書籍都是基于x86架構(gòu)的，但是國內(nèi)還是有相當(dāng)多的開發(fā)者采用ARM處理器來進(jìn)行開發(fā)產(chǎn)品，比如手機(jī)、IoT設(shè)備、嵌入式設(shè)備等。因此本書基于ARM體系結(jié)構(gòu)來講述Linux內(nèi)核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　可能有些讀者對ARM處理器的命名感到疑惑。ARM公司除了提供處理器IP和配套工具以外，主要還是定義了一系列的ARM兼容指令集來構(gòu)建整個ARM的軟件生態(tài)系統(tǒng)。從ARMv4指令集開始為國人所熟悉，兼容ARMv4指令集的處理器架構(gòu)有ARM7- TDMI，典型處理器是三星的S3C44B0X。兼容ARMv5指令集的處理器架構(gòu)有ARM920T，典型處理器是三星的S3C2440，有些讀者還買過基于S3C2440的開發(fā)板。兼容ARMv6指令集的處理器架構(gòu)有ARM11 MPCore。到了ARMv7指令集，處理器系列以Cortex命名，又分成A、R和M系列，通常A系列針對大型嵌入式系統(tǒng)（例如手機(jī)），R系列針對實(shí)時性系統(tǒng)，M系列針對單片機(jī)市場。Cortex-A7和Coxtex-A9處理器是前幾年手機(jī)的主流配置。Coxtex-A系列處理器面市后，由于處理性能的大幅提高以及杰出功耗控制，使得手機(jī)和平板電腦市場迅猛發(fā)展。另外一些新的應(yīng)用需求正在醞釀，比如大內(nèi)存、虛擬化、安全特性（Trustzone ［2］），以及更好的能效比（大小核）等。虛擬化和安全特性在ARMv7上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是大內(nèi)存的支持顯得有點(diǎn)捉襟見肘，雖然可以通過LPAE（Large Physical Address Extensions）技術(shù)支持40位的物理地址空間，但是由于32位的處理器最高支持4GB的虛擬地址空間，因此不適合虛擬內(nèi)存需求巨大的應(yīng)用。于是ARM公司設(shè)計(jì)了一個全新的指令集，即ARMv8-A 指令集，支持64位指令集，并且保持向前兼容ARMv7-A指令集。因此定義AArch64和AArch32兩套運(yùn)行環(huán)境分別來運(yùn)行64位和32位指令集，軟件可以動態(tài)切換運(yùn)行環(huán)境。為了行文方便，在本書中AArch64也稱為ARM64，AArch32也稱為ARM32。