本书内容丰富，讲解清晰透彻，不仅适合有一定Linux相关基础的人员，包括从事与Linux相关的开发人员、操作系统的研究人员、嵌入式开发人员及Android底层开发人员等学习和使用，而且适合作为对Linux感兴趣的程序员的学习用书，也可以作为大专院校相关专业师生的学习用书和培训学校的教材。
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编辑推荐
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内容简介
本书旨在详细介绍ARM64体系结构的相关技术。本书首先介绍了ARM64体系结构的基础知识、搭建树莓派实验环境的方法，然后讲述了ARM64指令集中的加载与存储指令、算术与移位指令、比较与跳转指令以及ARM64指令集中的陷阱，接着讨论了GNU汇编器、链接程序、GCC内嵌汇编、异常处理、中断处理、GIC中断控制器，最后剖析了内存管理、高速缓存基础知识、缓存一致性、TLB管理、内存屏障、高速缓存、原子操作、操作系统等内容。
章节目录
- 版权信息
- 版 权
- 内容提要
- ARM64体系结构自测题
- 前 言
- 本书约定
- 服务与支持
- 第1章 ARM64体系结构基础知识
- 1.1 ARM介绍
- 1.2 ARMv8体系结构基础知识
- 1.2.1 ARMv8体系结构
- 1.2.2 采用ARMv8体系结构的常见处理器内核
- 1.2.3 ARMv8体系结构中的基本概念
- 1.2.4 A64指令集
- 1.2.5 ARMv8处理器执行状态
- 1.2.6 ARMv8支持的数据宽度
- 1.3 ARMv8寄存器
- 1.3.1 通用寄存器
- 1.3.2 处理器状态
- 1.3.3 特殊寄存器
- 1.3.4 系统寄存器
- 1.4 Cortex-A72处理器介绍
- 1.5 ARMv9体系结构介绍
- 第2章 搭建树莓派实验环境
- 2.1 树莓派介绍
- 2.2 搭建树莓派实验环境
- 2.2.1 配置串口线
- 2.2.2 安装树莓派官方OS
- 2.2.3 实验2-1：输出“Welcome BenOS!”
- 2.2.4 实验2-2：使用GDB与QEMU虚拟机调试BenOS
- 2.2.5 实验2-3：使用J-Link EDU仿真器调试树莓派
- 2.3 BenOS基础实验代码解析
- 2.4 QEMU虚拟机与ARM64实验平台
- 第3章 A64指令集1——加载与存储指令
- 3.1 A64指令集介绍
- 3.2 A64指令编码格式
- 3.3 加载与存储指令
- 3.3.1 基于基地址的寻址模式
- 3.3.2 变基模式
- 3.3.3 PC相对地址模式
- 3.3.4 LDR伪指令
- 3.4 加载与存储指令的变种
- 3.4.1 不同位宽的加载与存储指令
- 3.4.2 不可扩展的加载和存储指令
- 3.4.3 多字节内存加载和存储指令
- 3.4.4 独占内存访问指令
- 3.4.5 隐含加载-获取/存储-释放内存屏障原语
- 3.4.6 非特权访问级别的加载和存储指令
- 3.5 入栈与出栈
- 3.6 MOV指令
- 3.7 陷阱：你用对加载与存储指令了吗
- 3.8 实验
- 3.8.1 实验3-1：熟悉MOV和LDR指令
- 3.8.2 实验3-2：前变基与后变基寻址模式1
- 3.8.3 实验3-3：前变基与后变基寻址模式2
- 3.8.4 实验3-4：PC相对地址寻址
- 3.8.5 实验3-5：memcpy()函数的实现
- 3.8.6 实验3-6：LDP和STP指令的使用
- 第4章 A64指令集2——算术与移位指令
- 4.1 条件操作码
- 4.2 加法与减法指令
- 4.2.1 ADD指令
- 4.2.2 ADDS指令
- 4.2.3 ADC指令
- 4.2.4 SUB指令
- 4.2.5 SUBS指令
- 4.2.6 SBC指令
- 4.3 CMP指令
- 4.4 关于条件标志位的示例
- 4.5 移位指令
- 4.6 位操作指令
- 4.6.1 与操作指令
- 4.6.2 或操作指令
- 4.6.3 位清除操作指令
- 4.6.4 CLZ指令
- 4.7 位段操作指令
- 4.7.1 位段插入操作指令
- 4.7.2 位段提取操作指令
- 4.8 实验
- 4.8.1 实验4-1：测试ADDS和CMP指令的C标志位
- 4.8.2 实验4-2：条件标志位的使用
- 4.8.3 实验4-3：测试ANDS指令以及Z标志位
- 4.8.4 实验4-4：测试位段操作指令
- 4.8.5 实验4-5：使用位段指令来读取寄存器
- 第5章 A64指令集3——比较指令与跳转指令
- 5.1 比较指令
- 5.1.1 CMN指令
- 5.1.2 CSEL指令
- 5.1.3 CSET指令
- 5.1.4 CSINC指令
- 5.2 跳转与返回指令
- 5.2.1 跳转指令
- 5.2.2 返回指令
- 5.2.3 比较并跳转指令
- 5.3 陷阱：为什么在RET指令之后系统就崩溃了
- 5.4 实验
- 5.4.1 实验5-1：CMP和CMN指令
- 5.4.2 实验5-2：条件选择指令
- 5.4.3 实验5-3：子函数跳转
- 第6章 A64指令集4——其他重要指令
- 6.1 PC相对地址加载指令
- 6.2 LDR和ADRP指令的区别
- 6.3 内存独占访问指令
- 6.4 异常处理指令
- 6.5 系统寄存器访问指令
- 6.6 内存屏障指令
- 6.7 实验
- 6.7.1 实验6-1：测试ADRP和LDR伪指令
- 6.7.2 实验6-2：ADRP和LDR伪指令的陷阱
- 6.7.3 实验6-3：LDXR和STXR指令的使用1
- 6.7.4 实验6-4：LDXR和STXR指令的使用2
- 第7章 A64指令集的陷阱
- 7.1 案例7-1：加载宏标签
- 7.2 案例7-2：加载字符串
- 7.3 案例7-3：读写寄存器导致树莓派4B死机
- 7.4 案例7-4：LDXR指令导致树莓派4B死机
- 7.5 汇编大作业7-1：在汇编中实现串口输出功能
- 7.6 汇编大作业7-2：分析Linux 5.0的启动汇编代码
- 第8章 GNU汇编器
- 8.1 编译流程与ELF文件
- 8.2 一个简单的汇编程序
- 8.3 汇编语法
- 8.3.1 注释
- 8.3.2 符号
- 8.4 常用的伪指令
- 8.4.1 对齐伪指令
- 8.4.2 数据定义伪指令
- 8.4.3 与函数相关的伪指令
- 8.4.4 与段相关的伪指令
- 8.4.5 与宏相关的伪指令
- 8.5 AArch64依赖特性
- 8.5.1 AArch64特有的命令行选项
- 8.5.2 语法
- 8.5.3 AArch64特有的伪指令
- 8.5.4 LDR伪指令
- 8.6 实验
- 8.6.1 实验8-1：汇编语言练习——求最大数
- 8.6.2 实验8-2：汇编语言练习——通过C语言调用汇编函数
- 8.6.3 实验8-3：汇编语言练习——通过汇编语言调用C函数
- 8.6.4 实验8-4：使用汇编伪操作来实现一张表
- 8.6.5 实验8-5：汇编宏的使用
- 第9章 链接器与链接脚本
- 9.1 链接器介绍
- 9.2 链接脚本
- 9.2.1 一个简单的链接程序
- 9.2.2 设置入口点
- 9.2.3 基本概念
- 9.2.4 符号赋值与引用
- 9.2.5 当前位置计数器
- 9.2.6 SECTIONS命令
- 9.2.7 常用的内建函数
- 9.3 重定位
- 9.3.1 BenOS重定位
- 9.3.2 UBoot和Linux内核重定位
- 9.4 实验
- 9.4.1 实验9-1：分析链接脚本文件
- 9.4.2 实验9-2：输出每个段的内存布局
- 9.4.3 实验9-3：加载地址不等于运行地址
- 9.4.4 实验9-4：分析Linux 5.0内核的链接脚本文件
- 第10章 GCC内嵌汇编代码
- 10.1 内嵌汇编代码基本用法
- 10.1.1 基础内嵌汇编代码
- 10.1.2 扩展内嵌汇编代码
- 10.1.3 内嵌汇编代码的修饰符和约束符
- 10.1.4 使用汇编符号名
- 10.1.5 内嵌汇编函数与宏的结合
- 10.1.6 使用goto修饰词
- 10.2 案例分析
- 10.3 实验
- 10.3.1 实验10-1：实现简单的memcpy函数
- 10.3.2 实验10-2：使用汇编符号名编写内嵌汇编代码
- 10.3.3 实验10-3：使用内嵌汇编代码完善__memset_16bytes汇编函数
- 10.3.4 实验10-4：使用内嵌汇编代码与宏
- 10.3.5 实验10-5：实现读和写系统寄存器的宏
- 10.3.6 实验10-6：goto模板的内嵌汇编函数
- 第11章 异常处理
- 11.1 异常处理的基本概念
- 11.1.1 异常类型
- 11.1.2 异常等级
- 11.1.3 同步异常和异步异常
- 11.2 异常处理与返回
- 11.2.1 异常入口
- 11.2.2 异常返回
- 11.2.3 异常返回地址
- 11.2.4 异常处理路由
- 11.2.5 栈的选择
- 11.2.6 异常处理的执行状态
- 11.2.7 异常返回的执行状态
- 11.3 异常向量表
- 11.3.1 ARMv8异常向量表
- 11.3.2 Linux 5.0内核的异常向量表
- 11.3.3 VBAR_ELx
- 11.4 异常现场
- 11.5 同步异常的解析
- 11.5.1 异常类型
- 11.5.2 数据异常
- 11.6 案例分析
- 11.6.1 从EL2切换到EL1
- 11.6.2 指令不对齐的同步异常处理
- 11.7 实验
- 11.7.1 实验11-1：切换到EL1
- 11.7.2 实验11-2：建立异常向量表
- 11.7.3 实验11-3：寻找树莓派4B上触发异常的指令
- 11.7.4 实验11-4：解析数据异常的信息
- 第12章 中断处理
- 12.1 中断处理背景知识
- 12.1.1 中断引脚
- 12.1.2 中断控制器
- 12.1.3 中断处理过程
- 12.2 树莓派4B上的传统中断控制器
- 12.3 ARM内核上的通用定时器
- 12.4 中断现场
- 12.4.1 保存中断现场
- 12.4.2 恢复中断现场
- 12.5 案例分析：在树莓派4B上实现一个定时器
- 12.5.1 中断现场的保存
- 12.5.2 修改异常向量表
- 12.5.3 通用定时器初始化
- 12.5.4 IRQ处理
- 12.5.5 打开本地中断
- 12.6 实验
- 12.6.1 实验12-1：在树莓派4B上实现通用定时器中断
- 12.6.2 实验12-2：使用汇编函数保存和恢复中断现场
- 第13章 GIC-V2
- 13.1 GIC发展历史
- 13.2 中断状态、中断触发方式和硬件中断号
- 13.3 GIC-V2
- 13.3.1 GIC-V2概要
- 13.3.2 GIC-V2内部结构
- 13.3.3 中断流程
- 13.3.4 GIC-V2寄存器
- 13.3.5 中断路由
- 13.4 树莓派4B上的GIC-400
- 13.4.1 中断号分配
- 13.4.2 访问GIC-400寄存器
- 13.4.3 中断处理流程
- 13.5 实验
- 13.5.1 实验13-1：实现通用定时器中断
- 13.5.2 实验13-2：实现树莓派4B上的系统定时器
- 第14章 内存管理
- 14.1 内存管理基础知识
- 14.1.1 内存管理的“远古时代”
- 14.1.2 地址空间的抽象
- 14.1.3 分段机制
- 14.1.4 分页机制
- 14.2 ARM64内存管理
- 14.2.1 页表
- 14.2.2 页表映射
- 14.2.3 页面粒度
- 14.2.4 两套页表
- 14.2.5 页表项描述符
- 14.2.6 页表属性
- 14.2.7 连续块表项
- 14.3 硬件管理访问位和脏位
- 14.3.1 访问位的硬件管理机制
- 14.3.2 脏位的硬件管理机制
- 14.4 与地址转换相关的控制寄存器
- 14.4.1 TCR
- 14.4.2 SCTLR
- 14.4.3 TTBR
- 14.5 内存属性
- 14.5.1 普通类型内存
- 14.5.2 设备类型内存
- 14.6 案例分析：在BenOS里实现恒等映射
- 14.6.1 页表定义
- 14.6.2 页表数据结构
- 14.6.3 创建页表
- 14.6.4 打开MMU
- 14.6.5 测试MMU
- 14.7 实验
- 14.7.1 实验14-1：建立恒等映射
- 14.7.2 实验14-2：为什么MMU无法运行
- 14.7.3 实验14-3：实现一个MMU页表的转储功能
- 14.7.4 实验14-4：修改页面属性导致的系统死机
- 14.7.5 实验14-5：使用汇编语言来建立恒等映射和打开MMU
- 14.7.6 实验14-6：验证LDXR和STXR指令
- 14.7.7 实验14-7：AT指令
- 第15章 高速缓存基础知识
- 15.1 为什么需要高速缓存
- 15.2 高速缓存的访问延时
- 15.3 高速缓存的工作原理
- 15.4 高速缓存的映射方式
- 15.4.1 直接映射
- 15.4.2 全相连映射
- 15.4.3 组相连映射
- 15.4.4 组相连的高速缓存的例子
- 15.5 虚拟高速缓存与物理高速缓存
- 15.5.1 物理高速缓存
- 15.5.2 虚拟高速缓存
- 15.5.3 VIPT和PIPT
- 15.6 重名和同名问题
- 15.6.1 重名问题
- 15.6.2 同名问题
- 15.6.3 VIPT产生的重名问题
- 15.7 高速缓存策略
- 15.8 高速缓存的共享属性
- 15.8.1 共享属性
- 15.8.2 PoU和PoC的区别
- 15.9 高速缓存的维护指令
- 15.10 高速缓存枚举
- 15.11 实验
- 15.11.1 实验15-1：枚举高速缓存
- 15.11.2 实验15-2：清理高速缓存
- 第16章 缓存一致性
- 16.1 为什么需要缓存一致性
- 16.2 缓存一致性的分类
- 16.2.1 ARM处理器缓存一致性发展历程
- 16.2.2 缓存一致性分类
- 16.2.3 系统缓存一致性问题
- 16.3 缓存一致性的解决方案
- 16.3.1 关闭高速缓存
- 16.3.2 软件维护缓存一致性
- 16.3.3 硬件维护缓存一致性
- 16.4 MESI协议
- 16.4.1 MESI协议简介
- 16.4.2 本地读写与总线操作
- 16.4.3 MESI状态转换图
- 16.4.4 初始状态为I
- 16.4.5 初始状态为M
- 16.4.6 初始状态为S
- 16.4.7 初始状态为E
- 16.4.8 总结与案例分析
- 16.4.9 MOESI协议
- 16.5 高速缓存伪共享
- 16.6 CCI和CCN缓存一致性控制器
- 16.6.1 CCI缓存一致性控制器
- 16.6.2 CCN缓存一致性控制器
- 16.7 案例分析16-1：伪共享的避免
- 16.8 案例分析16-2：DMA和高速缓存的一致性
- 16.8.1 从内存到设备的FIFO缓冲区
- 16.8.2 从设备的FIFO缓冲区到内存
- 16.9 案例分析16-3：自修改代码的一致性
- 16.10 实验
- 16.10.1 实验16-1：高速缓存伪共享
- 16.10.2 实验16-2：使用Perf C2C发现高速缓存伪共享
- 第17章 TLB管理
- 17.1 TLB基础知识
- 17.2 TLB重名与同名问题
- 17.2.1 重名问题
- 17.2.2 同名问题
- 17.3 ASID
- 17.4 TLB管理指令
- 17.4.1 TLB维护指令介绍
- 17.4.2 TLB广播
- 17.4.3 TLB维护指令的执行次序
- 17.5 TLB案例分析
- 17.5.1 TLB在Linux内核中的应用
- 17.5.2 ASID在Linux内核中的应用
- 17.5.3 Linux内核中的TLB维护操作
- 17.5.4 BBM机制
- 第18章 内存屏障指令
- 18.1 内存屏障指令产生的原因
- 18.1.1 顺序一致性内存模型
- 18.1.2 处理器一致性内存模型
- 18.1.3 弱一致性内存模型
- 18.1.4 ARM64处理器的内存模型
- 18.2 ARM64中的内存屏障指令
- 18.2.1 使用内存屏障的场景
- 18.2.2 ARM64里的内存屏障指令
- 18.2.3 DMB指令
- 18.2.4 DSB指令
- 18.2.5 DMB和DSB指令的参数
- 18.2.6 单方向内存屏障原语
- 18.2.7 ISB指令
- 18.2.8 高速缓存维护指令与内存屏障指令
- 18.3 案例分析
- 18.3.1 消息传递问题
- 18.3.2 单方向内存屏障与自旋锁
- 18.3.3 邮箱传递消息
- 18.3.4 与数据高速缓存相关的案例
- 18.3.5 与指令高速缓存相关的案例
- 18.3.6 与TLB相关的案例
- 18.3.7 DMA案例
- 18.3.8 Linux内核中使指令高速缓存失效
- 第19章 合理使用内存屏障指令
- 19.1 存储缓冲区与写内存屏障指令
- 19.2 无效队列与读内存屏障指令
- 19.3 内存屏障指令总结
- 19.4 ARM64的内存屏障指令的区别
- 19.5 案例分析：Linux内核中的内存屏障指令
- 19.5.1 第一次使用内存屏障指令
- 19.5.2 第二次使用内存屏障指令
- 19.5.3 第三次使用内存屏障指令
- 19.5.4 第四次使用内存屏障指令
- 19.5.5 总结：内存屏障指令的使用
- 第20章 原子操作
- 20.1 原子操作介绍
- 20.2 独占内存访问指令
- 20.3 独占内存访问工作原理
- 20.3.1 独占监视器
- 20.3.2 独占监视器与缓存一致性
- 20.3.3 独占监视器的粒度
- 20.4 原子内存访问操作指令
- 20.5 比较并交换指令
- 20.6 WFE指令在自旋锁中的应用
- 第21章 操作系统相关话题
- 21.1 C语言常见陷阱
- 21.1.1 数据模型
- 21.1.2 数据类型转换与整型提升
- 21.1.3 移位操作
- 21.2 函数调用标准
- 21.3 栈布局
- 21.4 创建进程
- 21.4.1 进程控制块
- 21.4.2 0号进程
- 21.4.3 do_fork函数的实现
- 21.4.4 进程上下文切换
- 21.4.5 新进程的第一次执行
- 21.5 简易进程调度器
- 21.5.1 扩展进程控制块
- 21.5.2 就绪队列run_queue
- 21.5.3 调度队列类
- 21.5.4 简易调度器的实现
- 21.5.5 自愿调度
- 21.5.6 抢占调度
- 21.5.7 测试用例
- 21.6 系统调用
- 21.6.1 系统调用介绍
- 21.6.2 用户态调用SVC指令
- 21.6.3 内核态对系统调用的处理
- 21.6.4 系统调用表
- 21.7 系统启动
- 21.8 实验
- 21.8.1 实验21-1：观察栈布局
- 21.8.2 实验21-2：进程创建
- 21.8.3 实验21-3：进程调度
- 21.8.4 实验21-4：新增一个malloc()系统调用
- 21.8.5 实验21-5：新增一个clone()系统调用
- 第22章 浮点运算与NEON指令
- 22.1 数据模型
- 22.2 浮点运算
- 22.2.1 浮点数
- 22.2.2 浮点控制寄存器与浮点状态寄存器
- 22.2.3 浮点数的条件操作码
- 22.2.4 常用浮点运算指令
- 22.3 NEON指令集
- 22.3.1 SISD和SIMD
- 22.3.2 矢量运算与标量运算
- 22.3.3 加载与存储指令LD1与ST1
- 22.3.4 加载与存储指令LD2和ST2
- 22.3.5 加载与存储指令LD3和ST3
- 22.3.6 加载与存储指令LD4和ST4
- 22.3.7 加载指令的特殊用法
- 22.3.8 搬移指令
- 22.3.9 反转指令
- 22.3.10 提取指令
- 22.3.11 交错变换指令
- 22.3.12 查表指令
- 22.3.13 乘加指令
- 22.3.14 矢量算术指令
- 22.4 案例分析22-1：RGB24转BGR24
- 22.4.1 使用C语言实现RGB24转BGR24
- 22.4.2 手工编写NEON汇编函数
- 22.4.3 使用NEON内建函数
- 22.4.4 测试
- 22.5 案例分析22-2：4×4矩阵乘法运算
- 22.5.1 使用C语言实现4×4矩阵乘法运算
- 22.5.2 手工编写NEON汇编函数
- 22.5.3 使用NEON内建函数
- 22.5.4 测试
- 22.6 自动矢量优化
- 22.7 实验
- 22.7.1 实验22-1：浮点运算
- 22.7.2 实验22-2：RGB24转BGR32
- 22.7.3 实验22-3：8×8矩阵乘法运算
- 第23章 可伸缩矢量计算与优化
- 23.1 SVE指令介绍
- 23.1.1 SVE寄存器组
- 23.1.2 SVE指令语法
- 23.2 搭建SVE运行和调试环境
- 23.3 SVE特有的编程模式
- 23.3.1 断言指令
- 23.3.2 聚合加载和离散存储
- 23.3.3 基于断言的循环控制
- 23.3.4 基于软件推测的向量分区
- 23.4 SVE与SVE2指令集
- 23.5 案例分析23-1：使用SVE指令优化strcmp()函数
- 23.5.1 使用纯汇编方式
- 23.5.2 测试
- 23.6 案例分析23-2：RGB24转BGR24
- 23.6.1 使用纯汇编方式
- 23.6.2 使用内嵌汇编方式
- 23.6.3 测试
- 23.7 案例分析23-3：4×4矩阵乘法运算
- 23.7.1 使用内嵌汇编方式
- 23.7.2 测试
- 23.8 实验
- 23.8.1 实验23-1：RGB24转BGR32
- 23.8.2 实验23-2：8×8矩阵乘法运算
- 23.8.3 实验23-3：使用SVE指令优化strcpy()函数
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ARM64体系结构编程与实践是2022年由人民邮电出版社出版,作者奔跑吧Linux社区。
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4.涵盖当前Linux社区中新的开发工具和社区运作方式，反映Linux内核社区新发展。
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