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책소개

최신 ARM64 커널을 코드 레벨에서 상세히 분석하다!

현업에서 커널 업무를 하고 있거나, 취미로 커널 분석을 시작했지만 방대한 양과 난해한 코드 때문에 어려움을 겪고 있는가? 시간이 부족하여 어디서부터 시작해야 할지 갈피조차 잡지 못하고 있는가? 오래전에 구입한 책을 뒤적거리지만 커널 버전이 맞지 않아 시간만 낭비하고 있지는 않은가? 최신 커널 학습에 어려움을 겪는 이런 분들을 위해 《코드로 알아보는 ARM 리눅스 커널》을 전면 개정하여 출간했다. 이 책은 최신 ARM64 커널의 주요 서브시스템을 코드 레벨에서 분석하고 있으며, 기존 원리를 코드를 직접 쫓아가며 명쾌하게 소개하고 있어 커널 엔지니어들에
게 훌륭한 길잡이가 될 것이다.

저자소개

9년째 임베디드 리눅스 엔지니어로 일하고 있다. 주로 커널을 최적화하는 업무에 참여했으며, 임베디드 리눅스 커널에 관한 콘텐츠를 지속적으로 생산, 배포하는 것과 디버깅 툴에 관심이 많다. 커널 엔지니어로 오래 먹고 살기 위한 궁리의 일환으로 최근에는 잘 다니던 회사를 나와 무언가를 준비 중에 있다.

목차

1장 ARMv8 아키텍처 1
1.1 ARMv8 소개 4
1.1.1 익셉션 모델 5
1.1.2 익셉션 레벨 변경 6
1.1.3 실행 상태 7
1.1.4 실행 상태 변경 7
1.2 ARMv8 레지스터 8
1.2.1 프로세서 상태 레지스터(PSTATE) 9
1.2.2 AArch64 특수 목적 레지스터 10
1.2.3 시스템 레지스터 12
1.2.4 ABI의 레지스터 사용 규칙 12
1.3 AArch64 익셉션 핸들링 13
1.3.1 익셉션 타입 14
1.3.2 동기 및 비동기 익셉션 15
1.3.3 익셉션 핸들링 16
1.3.4 익셉션에 의해 변경되는 실행 상태와 익셉션 레벨 17
1.3.5 AArch64 익셉션 벡터 테이블 19
1.3.6 인터럽트 핸들링 20
1.3.7 GIC 표준 인터럽트 컨트롤러 21
1.4 캐시 21
1.4.1 캐시 구조 22
1.4.2 캐시 컨트롤러 24
1.4.3 캐시 정책 24
1.4.4 캐시 일관성의 두 가지 관점 25
1.4.5 캐시 관리 27
1.4.6 캐시 탐색 27
1.5 MMU 28
1.5.1 가상 주소를 물리 주소로 변환 29
1.5.2 AArch64의 테이블 디스크립터 종류 30
1.5.3 커널과 애플리케이션의 가상 주소 공간 분리 32
1.5.4 변환 테이블의 cacheable과 shareable 속성 33
1.5.5 디스크립터 메모리 속성 34
1.5.6 시큐리티와 MMU 36
1.5.7 컨텍스트 스위칭 36
1.6 메모리 오더링 37
1.6.1 메모리 타입 39
1.6.2 배리어 41
1.6.3 메모리 속성 42
1.7 멀티코어 프로세서 44
1.7.1 멀티프로세싱 시스템 44
1.7.2 캐시 일관성 47
1.7.3 클러스터 내의 멀티코어 캐시 일관성 48
1.7.4 버스 프로토콜과 캐시 일관성 인터커넥트 51
1.8 전력 관리 52
1.8.1 유휴 상태 관리 52
1.8.2 소비전류 관련 인스트럭션 54
1.8.3 PSCI 54

2장 커널 시작하기 57
2.1 커널의 진입점 head.S 60
2.1.1 부트 파라미터 저장 62
2.1.2 EL2 설정 63
2.1.3 CPU 부트 모드 저장 64
2.1.4 페이지 테이블 생성 65
2.1.5 CPU 초기화 71
2.2 익셉션 핸들링 78
2.2.1 익셉션 벡터 79
2.2.2 익셉션 테이블 엔트리 84
2.3 디바이스 트리 94
2.3.1 디바이스 트리의 필요성 94
2.3.2 디바이스 트리 작성하기 95
2.3.3 early FDT 사용 96
2.3.4 FDT를 풀어낸 후 사용 107

3장 페이징과 매핑 125
3.1 ARM64 페이징 127
3.1.1 가상 주소 공간 127
3.1.2 페이지 테이블 개요 130
3.1.3 페이징 초기화 134
3.1.4 페이지 테이블 생성 142
3.1.5 페이지 테이블 레지스터 설정 151
3.1.6 페이지 테이블 및 주소 변환 API 158
3.2 고정 매핑(fixmap) 161
3.2.1 고정 매핑 초기화 162
3.2.2 고정 매핑과 언매핑 164
3.2.3 고정 매핑 관련 API 166
3.3 연속된 가상 주소 공간 매핑(vmap) 168
3.3.1 vmap 영역 관리 168
3.3.2 vmap 172
3.3.3 vmap_area 할당 176
3.3.4 vunmap 186
3.3.5 vmap_area 할당과 해제 192
3.4 I/O 메모리 매핑(ioremap) 200
3.4.1 early I/O 메모리 매핑 200
3.4.2 I/O 메모리 매핑 205
3.5 페이지 디스크립터 매핑(vmemmap) 213
3.5.1 vmemmap 활성화 214

4장 메모리 관리 219
4.1 early 메모리 할당자: memblock 221
4.1.1 memblock 구조 222
4.1.2 memblock 초기화 224
4.1.3 memblock 할당과 해제 229
4.1.4 memblock 추가 232
4.1.5 memblock 삭제 240
4.2 메모리 모델 245
4.2.1 메모리 모델의 종류 246
4.2.2 메모리 맵(mem_map) 249
4.3 존 254
4.3.1 존 타입 254
4.3.2 부트 메모리 초기화 257
4.3.3 vmemmap을 사용하는 sparse 메모리 모델 277
4.4 버디 시스템 309
4.4.1 버디 시스템의 구조 309
4.4.2 최초 버디 구성 과정 312
4.4.3 버디 시스템의 페이지 할당 322
4.4.4 버디 시스템의 페이지 해제 336
4.5 per-cpu 페이지 프레임 캐시(pcp) 343
4.5.1 pcp 초기화 과정 344
4.5.2 pcp 구성하기 344
4.5.3 pcp에서의 페이지 할당 346
4.5.4 pcp로의 페이지 해제 349
4.5.5 pcp를 버디 시스템으로 회수하기 354
4.6 페이지 할당자 356
4.6.1 구조 356
4.6.2 NUMA 지원 357
4.6.3 존 구성 및 zonelist 358
4.6.4 zonelist 초기화 361
4.6.5 NUMA 메모리 정책 초기화 370
4.6.6 페이지 할당 373
4.6.7 fastpath 페이지 할당 375
4.6.8 더티 페이지 384
4.6.9 slowpath 페이지 할당 388
4.6.10 워터마크 395
4.7 슬랩 할당자 410
4.7.1 슬랩, 슬럽, 슬롭 410
4.7.2 슬랩 객체 구조 412
4.7.3 kmem_cache 초기화 413
4.7.4 kmem 캐시 생성 426
4.7.5 슬랩 페이지 할당 442
4.7.6 슬랩 객체 할당 449
4.7.7 슬랩 객체 해제 472
4.8 kmalloc과 vmalloc 487
4.8.1 kmalloc과 vmalloc의 특징 487
4.8.2 GFP(Get Free Page) 플래그 488
4.8.3 kmalloc 할당 490
4.8.4 kmalloc으로 할당한 메모리 해제 496
4.8.5 vmalloc 초기화 498
4.8.6 vmalloc을 사용한 메모리 할당 500
4.8.7 vmalloc( )으로 할당받은 메모리 해제 505
4.9 per-cpu 할당자 507
4.9.1 개요 507
4.9.2 per-cpu 초기화 523
4.9.3 first chunk 구성 545
4.9.4 슬랩 할당자 활성화 후 per-cpu 초기화 555
4.9.5 per-cpu 동적 할당 556

5장 태스크 관리 575
5.1 태스크 표현 577
5.1.1 프로세스와 스레드의 차이, 그리고 태스크 577
5.1.2 태스크를 표현하는 자료구조 578
5.1.3 초기화 과정 579
5.2 PID 관리하기 586
5.2.1 PID를 표현하는 자료구조 586
5.2.2 PID 할당하기 591
5.2.3 PID 해제하기 598
5.2.4 PID 할당을 위한 초기화 과정 600
5.2.5 관련 API 603
5.3 실행 상태 관리하기 604
5.3.1 태스크의 주요 실행 상태 605
5.3.2 관련 API 606
5.4 우선순위 관리하기 607
5.4.1 nice 값과 우선순위 607
5.4.2 static priority, normal priority, dynamic priority 608
5.4.3 우선순위 설정하기 608
5.4.4 PI boosting priority leak과 우선순위 리셋 613
5.5 태스크 생성하기 614
5.5.1 _do_fork( ): 태스크 생성의 시작점 614
5.5.2 copy_process( ): 태스크 복사하기 616
5.6 태스크 종료하기 636
5.6.1 do_exit( ) 637
5.7 idle 스레드(swapper) 640
5.7.1 idle 스레드가 실행되는 과정 641
5.7.2 idle 스레드가 하는 일 642
5.7.3 idle 스레드가 설정되는 과정 645
5.7.4 초기화 과정 분석 646
5.8 태스크 관련 자료구조의 필드 설명 652
5.8.1 task_struct 구조체 652
5.8.2 thread_info 구조체 655
5.8.3 thread_struct 구조체 656

6장 태스크 스케줄링 657
6.1 스케줄러의 주요 개념 660
6.1.1 load weight와 virtual runtime 660
6.1.2 스케줄링 레이턴시와 타임 슬라이스 663
6.1.3 런큐와 CFS 런큐, 레드 블랙 트리 666
6.1.4 태스크 그룹과 스케줄링 엔티티 669
6.1.5 스케줄링 클래스, 스케줄링 정책 674
6.2 메인 스케줄러 675
6.2.1 타이머 인터럽트를 이용한 주기적인 스케줄링 676
6.2.2 비주기적인 스케줄링 678
6.2.3 스케줄링 시작하기: schedule( ), preempt_schedule_irq( ), preempt_schedule_common( ) 682
6.2.4 스케줄링 요청하기, 요청 체크해서 스케줄링 시도하기 685
6.2.5 스케줄링의 핵심: _ _schedule( ) 688
6.2.6 태스크 깨우기: try_to_wake_up( ) 697
6.3 CFS(Completely Fair Scheduling) 710
6.3.1 태스크를 런큐에 삽입하기 710
6.3.2 태스크를 런큐에서 선택하기 717
6.3.3 태스크를 런큐에서 제거하기 729
6.3.4 주기적으로 발생하는 틱 처리하기 734
6.3.5 스케줄링 엔티티의 실행시간 관리하기 737
6.3.6 타임 슬라이스 관리하기 742
6.4 스케줄러 초기화하기 747
6.4.1 sched_init( ): 스케줄러 초기화하기 747

7장 SMP와 cpu 토폴로지 755
7.1 SMP를 위한 커널 지원 757
7.2 cpu 토폴로지 758
7.2.1 MPIDR 해시 테이블 762
7.2.2 cpumask map 768
7.3 Secondary Booting 770
7.3.1 ARM: SMP 오퍼레이션 770
7.3.2 ARM64: cpu 오퍼레이션 772
7.3.3 PSCI(Power State Coordination Interface) 777
7.3.4 ARM64 non-boot cpu 부팅 781

8장 인터럽트 803
8.1 인터럽트의 개념 805
8.1.1 인터럽트란 무엇인가? 805
8.1.2 인터럽트 컨트롤러 805
8.2 리눅스 인터럽트 서브시스템 807
8.2.1 irq_chip: 인터럽트 컨트롤러 807
8.2.2 irq_domain: 인터럽트 도메인 808
8.2.3 irq_desc: 인터럽트 디스크립터 809
8.3 인터럽트 핸들러 등록과 처리 810
8.3.1 인터럽트 핸들러 등록 810
8.3.2 인터럽트 핸들러 호출 과정 813
8.3.3 인터럽트 활성화와 비활성화 816
8.3.4 인터럽트 초기화 과정 819
8.4 인터럽트 지연 처리 825
8.4.1 top-half와 bottom-half 825
8.4.2 softirq 826
8.4.3 워크큐 833
8.4.4 threaded irq 843

9장 시간과 타이머 관리 847
9.1 공통 클록 프레임워크(CCF) 849
9.1.1 클록 850
9.1.2 기본적인 클록의 구성요소 850
9.1.3 CLK 프레임 계층 구현을 위한 인터페이스 853
9.1.4 관련 초기화 함수 857
9.2 타임 서브시스템 859
9.2.1 기본 구성 개요 860
9.2.2 클록 소스 860
9.2.3 클록 이벤트 865
9.2.4 틱 디바이스 868
9.3 타이머 관리 872
9.3.1 타이머 개요 872
9.3.2 저해상도 타이머 874
9.3.3 고해상도 타이머 879

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