# Linux 2025 一對一討論 04/17 紀錄

NV Grace Arm
CPU / KVM (kernel-based virtual machine)

## Cache Coherence

- 什麼是 MESI / MOESI ?
- cache coherence protocol 讓多核處理器的 cache 一致
- MESI protocol:
- Modified
- Exclusive
- Shared
- Invalid
- MESI protocol 的缺點就是每次發送 Probe read 讀到一個狀態為 Modified 的 cacheline 時，就要將資料更新回主記憶體，但將資料寫回主記憶體是非常浪費時間的。

- MOESI protocol:
- Owner
- 目的是解決要將資料寫回主記憶體的問題
- https://hackmd.io/@qwe661234/r1BDYhVHo

## CPU Pipeline Hazard

- Structural hazard
- 超過一個指令要存取相同的硬體資源的狀況
- Control hazard
- 要做決定時，需要某個結果，但是那個結果並沒有被運算出來
- 通常是branch才會發生，需要知道下一個指令是誰，但還不知道到底要不branch
- Data hazard
- 需要用到某個資料，但那個資料並沒有被產生 (在那個當下)
- https://hackmd.io/@joanne8826/HkT32O85I#4-3%E2%80%934-Data-Hazard-and-forwarding

## DMA (direct memory access)

幾種模式/方向、限制、中斷關聯

### 存取方向
- Peripheral‑to‑Memory
- 由外設讀取資料，寫入記憶體，用於接收資料流（如網卡、介面卡接收）
- Memory‑to‑Peripheral
- 由記憶體讀取資料，寫入外設，用於傳送資料流（如網卡發送、顯示卡更新）
- Memory‑to‑Memory
- 記憶體間複製／移動資料，減輕 CPU 大塊記憶體拷貝工作
- Peripheral‑to‑Peripheral
- 少見，直接在兩外設間搬資料；某些控制器（例如 Microchip SAM E/S/V 系列）不支援此模式

### 存取模式

- Burst Mode
- 控制器一旦取得總線，就連續傳送整個資料塊，直到完成才讓回 CPU，傳輸效率最高，但會讓 CPU 被鎖住較長時間
- Cycle Stealing Mode
- 在每傳送一個資料單位後，立即釋放總線讓 CPU 執行一條指令，再重新請求總線循環往復，使 DMA 與 CPU 工作交錯進行，減少對 CPU 的長時間鎖定
- Transparent Mode
- 只有在 CPU 空閒、不使用總線時才執行 DMA 傳輸，對 CPU 幾乎「透明」，但硬體需能偵測 CPU 總線使用狀態，實作較複雜；總體系統效能最佳

### 存取限制

- 通道數與資源限制
- DMA 控制器內部通道（channel）數量有限，例如 IBM PC 原生 8237 DMA 只有 4 個通道；多通道競爭可能導致排程複雜度提高
- 位址範圍限制
- `dma_attr_addr_lo` 與 `dma_attr_addr_hi` 定義 DMA 可觸及的最低與最高匯流排位址，超出範圍無法存取
- 舊式 8237 DMA 控制器僅能在同一 64 KB 分段內操作，跨段會「回繞」或失敗
- 對齊與邊界限制
- 硬體常要求緩衝區對齊到 4 或 8 位元組邊界，以符合 PCI 或其他總線寬度
- 在 Linux DMA API 中，可指定 dma_attr_seg、dma_attr_burstsizes、頁面邊界（如 4 KB）等限制，確保傳輸片段不跨越不支援的邊界
- DMA 直接存取主記憶體可能使 CPU 快取內容過時，需在傳輸前後由軟體或硬體（如 bus snooping）做快取失效（invalidate）或寫回（flush

### 中斷關聯

- 傳輸完成中斷
- DMA 控制器在完成整個傳輸後會觸發中斷（IRQ），通知 CPU 開啟後續處理（如啟動下一筆傳輸或喚醒等候程序）
- 中斷可中斷性
- 標準系統中斷（IRQ）不會中斷正在進行的 DMA 傳輸；這些中斷將保持掛起狀態，待 DMA 完成後才被服務；但若使能非遮蔽中斷（NMI），則可打斷 DMA 操作
- 同步與時序注意事項
- DMA 傳輸通常在匯流排週期邊界觸發，而中斷則在 CPU 指令邊界觸發；軟體中斷處理與 DMA 狀態讀寫必須考慮此差異，避免因操作時機不同而導致資料不一致

## TODO
- 閱讀 [KVM: Linux 虛擬化基礎建設](https://hackmd.io/@sysprog/linux-kvm) 並充分紀錄問題，特別是 arm64
- 目標: 在 Raspberry Pi 4B and/or 5 (NVIDIA Jetson Orin) 上面運作 [kvm-host](https://github.com/sysprog21/kvm-host) (修正中間遇到的問題)，允許載入 Linux guest
處理 Arm GIC (generic interrupt controller，注意版本差異), VirtIO, virtio-net
將上述問題紀錄在 [Homework5](https://hackmd.io/@otischung/linux2025-homework5)

## Others

RISC-V ?
MIPS / Arm / Thumb2
Arm64: multiple load/store instructions => LDMIA (32-bit)
simplefs

碩二不需要太執著補完所有欠缺知識，這不現實，也對找工作沒有太多幫助