前言
ARM64 作为当今主流的处理器架构，被广泛应用于移动设备、嵌入式系统和服务器领域。学习 ARM64 在 Linux 内核中的实现，不仅有助于深入理解操作系统底层机制，还能提升在内核开发、驱动编写、虚拟化等领域的专业能力。
本指南面向对 Linux 内核有一定了解的读者，提供完整的学习思路和实践路径，帮助你高效掌握 ARM64 Linux 内核。
一、ARM64 Linux 内核学习的全局视角
在学习 ARM64 内核时，我们可以将其划分为几个核心模块，每个模块都涉及关键技术点：
1. 内核启动与地址映射
- 了解 ARM64 内核的启动流程（从 Bootloader 到
start_kernel） - 学习地址映射方式，包括 TTBR0/TTBR1、PAGE_OFFSET 等概念
- 解析 Device Tree 与 ACPI 设备描述的作用
2. 页表与 MMU 机制
- 掌握 ARM64 页表结构（4 级页表：PGD -> PUD -> PMD -> PTE）
- 研究 MMU（Memory Management Unit）如何管理虚拟地址
- 解析 TLB（Translation Lookaside Buffer）对性能的影响
3. 中断与异常处理
- 了解 ARM64 的异常模型（同步异常、IRQ、FIQ、SError）
- 探索 GIC（Generic Interrupt Controller）如何管理中断
- 学习
arch/arm64/kernel/entry.S的异常向量表实现
4. 内存管理与缓存一致性
- 解析 ARM64 内存管理（物理/虚拟地址映射、内存分区）
- 研究 Cache Coherency（PoC、PoU）和内存屏障（
dsb、dmb、isb） - 探讨 ASID（Address Space Identifier）如何优化 TLB
- 重点：
- 物理地址 vs 虚拟地址转换机制
- Linux 内存分区：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM
- 内核态 vs 用户态内存管理策略
- kmalloc、vmalloc、mmap 的区别与应用
5. 进程调度与 SMP 机制
- 学习 Linux CFS 调度器在 ARM64 上的实现
- 探索 ARM64 多核（SMP）架构的 CPU 启动流程
- 了解
arch/arm64/kernel/smp.c如何管理 CPU 之间的通信
6. 高级内核特性
- 研究 KVM（Kernel-based Virtual Machine）在 ARM64 上的虚拟化支持
- 解析 TrustZone 安全架构及其在 Linux 运行环境中的应用
- 深入理解 ftrace、perf 等内核性能调试工具
二、面试常见问题与答案
1. ARM64 内核启动流程是怎样的？
- 从 Bootloader 加载内核 -> 进入
head.S-> 进入start_kernel()-> 挂载根文件系统 -> 启动init进程。
2. ARM64 Linux 如何管理页表？
- 采用 4 级页表（PGD -> PUD -> PMD -> PTE），使用
create_pgd_mapping()建立映射。
3. 什么是 TLB？如何优化？
- TLB（Translation Lookaside Buffer）用于缓存页表映射，减少 MMU 查表开销。
- 通过 ASID（地址空间标识符）、TLB flush 控制优化 TLB。
4. PoC 和 PoU 的区别？
- PoC（Point of Coherency）：所有 CPU 和 DMA 设备都能看到的数据。
- PoU（Point of Unification）：指令缓存和数据缓存一致的点。
5. ARM64 的中断系统如何工作？
- 采用 GIC（Generic Interrupt Controller）管理中断。
- 使用
arch/arm64/kernel/entry.S处理异常和中断。
6. 什么是 TrustZone？
- TrustZone 提供安全世界和普通世界隔离，提高系统安全性。
7. 什么是 KVM，如何在 ARM64 上使用？
- KVM（Kernel-based Virtual Machine）是 Linux 内核的虚拟化解决方案。
- 通过
modprobe kvm启用，使用 QEMU+KVM 运行虚拟机。
8. 什么是 SMP，如何在 ARM64 上支持？
- SMP（对称多处理）允许多个 CPU 核心共享内存。
- 通过
arch/arm64/kernel/smp.c实现多核启动。
三、最佳实践与实验方法
1. 选择合适的实验环境
在实践 ARM64 内核学习时，可以选择以下两种环境：
QEMU 虚拟环境（适合 MMU、页表、异常处理等实验）
qemu-system-aarch64 -M virt -cpu cortex-a57 -smp 2 -m 2G -kernel Image -nographic
- 适用于调试页表映射、异常处理、中断机制
- 可结合 GDB 远程调试分析内核行为
ARM64 开发板（如 Raspberry Pi 4B / NXP i.MX8MP）（适合真实设备驱动与性能测试）
- 运行真实的 ARM64 Linux 发行版（Yocto、Ubuntu、Debian）
- 测试设备树（Device Tree）解析、驱动开发等
- 使用
dmesg解析内核日志，排查异常问题
2. 分析关键内核代码
- 启动流程：
arch/arm64/kernel/head.S，分析start_kernel()执行路径 - 页表管理：
arch/arm64/mm/mmu.c，理解create_pgd_mapping()如何建立映射 - 异常处理：
arch/arm64/kernel/entry.S，解析el1_sync如何捕获系统调用 - SMP 初始化：
arch/arm64/kernel/smp.c，探索secondary_start_kernel()如何初始化多核
3. 使用调试工具优化学习过程
- GDB + QEMU 远程调试
qemu-system-aarch64 -M virt -cpu cortex-a57 -smp 2 -m 2G -kernel vmlinux -s -S
- ftrace 分析内核函数调用路径
echo function_graph > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
- perf 采样分析内核性能瓶颈
perf record -g -a sleep 5
perf report
四、进阶学习与发展方向
完成 ARM64 Linux 内核基础学习后，可以深入以下领域：
- 驱动开发：基于 ARM64 开发设备驱动，如 GPIO、I2C、SPI、PCIe
- 实时系统（RT）优化：深入 PREEMPT_RT 补丁，提高系统实时性
- 虚拟化技术（KVM/Hypervisor）：研究 ARM64 服务器环境的 KVM、Xen、Docker
- 安全机制：研究 ARM64 TrustZone、SELinux、Cgroup 及其安全加固
结论
学习 ARM64 Linux 内核需要建立清晰的知识体系，采用“框架+实践+调试”的方式，逐步深入。从 QEMU 模拟实验入手，再到开发板实际测试，结合代码分析和调试工具，可以有效掌握 ARM64 的内核机制。
希望这篇指南能够帮助你建立正确的学习路径，加速对 ARM64 Linux 内核的掌握！
