卷一 内核源代码分析 第一章 linux内核对cortex A9多核处理器的支持 1.1 CPU的基本管理 图书试读版-请勿转载

作者 crosskernel@gmail.com

1 多核处理器


计算性能是处理器演进的第一动力，然而，尽管各种架构的高性能处理器层出不穷，真正大规模普及开来的似乎只有Intel和ARM体系。我们观察其中的现象不难发现如下规律：
如果处理器性能得到大幅改善，但是无法得到现有主流操作系统的支持，就无法大规模应用。进一步来讲，即使某种处理器得到主流操作系统的支持，但是由于其指令集的不兼容性，导致大量的应用无法运行，这种处理器也是难以普及的，安腾的失败是个很好的例子。
“兼容性”是处理器演进的第一法则。现有的软件体系是计算机世界的主宰，所有不服从现在软件体系的的指令集都只能被边缘化或者被淘汰。所以我们看到Intel和ARM不断扩展寄存器长度、增加发射单元、支持乱序、扩展总线单元等一系列手段来改进处理器架构，就是不敢废弃一条既有指令。
降低计算功耗是处理器演进的第二动力，对于服务器来说功耗就是运营成本，对于移动计算来说功耗就是生命。似乎台式机功耗要求不大，但是台式机与服务器、移动设备不仅在处理器的生产及设计上共享基础设施外，软件体系也有着相同的基础，导致整个软件体系为了照顾移动设备和服务器而收敛了扩张的步伐。这就是人们常说的“计算过剩”，其实计算永远不会过剩，只是庞大的软件体系有所收敛罢了。
频率提升是功耗的大敌，为了提高能耗比，设计频率更低而核心更多的处理器是好的方法，由此，近年来处理器的扩张由单核高频的转变为多核体系。
Linux支持的多核体系的基本特点为，所有处理器拥有完全相同的指令集，所有处理器共享同一内存。如果不符合以上任何一点，操作系统内核都需要做架构级修改才能支持。若满足这两个前提，其他方面的问题，都可以通过内核和系统小规模修改来支持。如Big.little架构下互相搭配的处理器尽管核心内部实现不同，但各核心有着相同的指令集，Linux内核可以将它们当作同样的处理器来分配线程。内核在完全不加改动的情况下，也许会出现一个重量级线程被分配到了一个little的核心上，但是内核本身可以通过处理器负载均衡将其平衡到别的处理器上。当liittle负载较高时big必定会上线运行，但是系统有可能会出现重负载线程独自霸占liittle的情形的极限情况，这时需要将调度算法稍加修改，首先记录每个处理器能力，然后监测little上单线程高负载发生的时长，若超出一定阀值则将高负载线程时间片减为零，从little摘下来，再将其挂到big处理器运行队列即可。
进一步讲，多核心之间只要基本的读写、跳转之类指令相同，其余指令集不同，Linux也可以支持的。内核只需用到基本指令即可，各核心用户空间指令可以不同。内核需做如下修改，每颗核心的调度队列记录下其核心用户态指令集特性，每个线程创建之初申明自身需要的指令集特性，内核在给线程分配核心及做负载均衡时比较两者是否匹配。用户层动态加载器也要做修改，针对当前处理器指令集特性动态加载、跳转到不同版本的动态库中，且在动态库执行过程中标记自身线程不可切换处理器。当然这种复杂情况超出了当前现状，尽管有用户态指令集不同的架构，但是运行指令集差集的线程不需要动态加载库支持，且直接绑定到指定核心上。




1.1 CPU的基本管理


  CPU管理的特点是自我管理，除了在启动、休眠、调频受控于CPU0的工作以外，处理器相关的绝大部分工作都是由处理器自我管理的。处理器是内核的执行