Linux内核的处理器体系结构的详细资料说明

　　本章思考题

　　1．请简述精简指令集RISC和复杂指令集CISC的区别。

　　2．请简述数值0x12345678在大小端字节序处理器的存储器中的存储方式。

　　3．请简述在你所熟悉的处理器（比如双核Cortex-A9）中一条存储读写指令的执行全过程。

　　4．请简述内存屏障（memory barrier）产生的原因。

　　5．ARM有几条memory barrier的指令？分别有什么区别？

　　6．请简述cache的工作方式。

　　7．cache的映射方式有full-associative（全关联）、direct-mapping（直接映射）和set-associative（组相联）3种方式，请简述它们之间的区别。为什么现代的处理器都使用组相联的cache映射方式？

　　8．在一个32KB的4路组相联的cache中，其中cache line为32Byte，请画出这个cache的cache line、way和set的示意图。

　　9．ARM9处理器的Data Cache组织方式使用的VIVT，即虚拟Index虚拟Tag，而在Cortex-A7处理器中使用PIPT，即物理 Index物理Tag，请简述PIPT比VIVT有什么优势？

　　10．请画出在二级页表架构中虚拟地址到物理地址查询页表的过程。

　　11．在多核处理器中，cache的一致性是如何实现的？请简述MESI协议的含义。

　　12．cache在Linux内核中有哪些应用？

　　13．请简述ARM big.LITTLE架构，包括总线连接和cache管理等。

　　14．cache coherency和memory consistency有什么区别？

　　15．请简述cache的write back有哪些策略。

　　16．请简述cache line的替换策略。

　　17．多进程间频繁切换对TLB有什么影响？现代的处理器是如何面对这个问题的？

　　18．请简述NUMA架构的特点。

　　19．ARM从Cortex系列开始性能有了质的飞越，比如Cortex-A8/A15/A53/A72，请说说Cortex系列在芯片设计方面做了哪些重大改进？

　　Linux 4.x内核已经支持几十种的处理器体系结构，目前市面上最流行的两种体系结构是x86和ARM。x86体系结构以Intel公司的PC和服务器市场为主导，ARM体系结构则是以ARM公司为主导的芯片公司占领了移动手持设备等市场。本书重点讲述 Linux内核的设计与实现，但是离开了处理器体系结构，就犹如空中楼阁，毕竟操作系统只是为处理器服务的一种软件而已。目前大部分的Linux内核书籍都是基于x86架构的，但是国内还是有相当多的开发者采用ARM处理器来进行开发产品，比如手机、IoT设备、嵌入式设备等。因此本书基于ARM体系结构来讲述Linux内核的设计与实现。

　　可能有些读者对ARM处理器的命名感到疑惑。ARM公司除了提供处理器IP和配套工具以外，主要还是定义了一系列的ARM兼容指令集来构建整个ARM的软件生态系统。从ARMv4指令集开始为国人所熟悉，兼容ARMv4指令集的处理器架构有ARM7- TDMI，典型处理器是三星的S3C44B0X。兼容ARMv5指令集的处理器架构有ARM920T，典型处理器是三星的S3C2440，有些读者还买过基于S3C2440的开发板。兼容ARMv6指令集的处理器架构有ARM11 MPCore。到了ARMv7指令集，处理器系列以Cortex命名，又分成A、R和M系列，通常A系列针对大型嵌入式系统（例如手机），R系列针对实时性系统，M系列针对单片机市场。Cortex-A7和Coxtex-A9处理器是前几年手机的主流配置。Coxtex-A系列处理器面市后，由于处理性能的大幅提高以及杰出功耗控制，使得手机和平板电脑市场迅猛发展。另外一些新的应用需求正在酝酿，比如大内存、虚拟化、安全特性（Trustzone ［2］），以及更好的能效比（大小核）等。虚拟化和安全特性在ARMv7上已经实现，但是大内存的支持显得有点捉襟见肘，虽然可以通过LPAE（Large Physical Address Extensions）技术支持40位的物理地址空间，但是由于32位的处理器最高支持4GB的虚拟地址空间，因此不适合虚拟内存需求巨大的应用。于是ARM公司设计了一个全新的指令集，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。因此定义AArch64和AArch32两套运行环境分别来运行64位和32位指令集，软件可以动态切换运行环境。为了行文方便，在本书中AArch64也称为ARM64，AArch32也称为ARM32。