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Linux Kernel Series · 6.18.37 LTS 기준

Linux Kernel 연구 노트

한 페이지에 커널 전체를 밀어 넣지 않습니다. boot, init, memory, scheduler, syscall, filesystem, block, network, driver, locking, RCU처럼 실제 코드 흐름이 갈리는 지점마다 별도 글로 나눕니다.

심화 노트

기준 버전은 kernel.org longterm 최신인 Linux 6.18.37 LTS로 고정합니다. 글마다 소스 코드 위치, 실제 코드 발췌, 전체 흐름, 필드 표, 상태 변화 표, 계측 지점를 붙입니다. 함수 하나를 구조체와 흐름 그림에 붙여 읽는 형식으로 정리합니다.

완료

01. arm64 head.S 라인 바이 라인

Image header, primary_entry, idmap, MMU enable, EL1/EL2, secondary CPU, relocation.

 도식+코드

02. init/main.c:start_kernel()

head.S 이후 C entry. arch setup, command line, memory, scheduler, IRQ, rest_init 흐름.

 원본+줄별 주석

03. x86-64 boot entry와 CR3 전환

startup_32, 두 startup_64, decompression, 4/5-level paging, high VA 진입.

 원본+줄별 주석

04. RISC-V 64 head.S와 SATP 전환

Image header, hart ID, DTB, setup_vm, trampoline page table, start_kernel.

Architecture

ARMv9-A · 13편

ARMv9-A 아키텍처 완전 해설

비전공자용 개념 해설 5편에서 시작해 Exception·MMU·Realm·SVE/SME·MTE·KVM·GIC·SMMU의 Linux v6.18.37 소스 분석 8편까지 이어집니다.

 arm64

arm64 head.S

Image header, EL 전환, idmap, MMU와 secondary CPU.

 x86-64

Boot entry / paging

startup_32, compressed startup_64, CR3와 high virtual address.

 x86-64

IDT / syscall / SMP

pt_regs frame, APIC vector, SYSCALL, secondary CPU startup.

 RISC-V 64

head.S / SATP

hart ID, DTB, setup_vm, trampoline mapping과 start_kernel.

 RISC-V 64

Trap / SBI / SMP

sscratch, scause, pt_regs, secondary hart와 online 경계.

arm64 / x86-64 / RISC-V 비교

Linux 6.18.37의 같은 kernel contract가 세 architecture에서 어느 register, page-table format, interrupt controller와 firmware 경계로 구현되는지 21개 주제로 나눴습니다. 각 글에는 세 원본 코드와 발췌된 모든 줄의 설명, 동작 그림, 수치 예제와 계측 절차가 들어 있습니다.

Execution context

3 ARCH

Context switch: callee-saved register와 task state

scheduler의 공통 context_switch() 아래에서 arm64, x86-64, RISC-V가 어떤 register와 thread state를 저장하고 다음 task에 넘기는지 읽습니다.

3 ARCH

FPU, SIMD, SVE/SME, XSAVE와 RISC-V Vector state

integer context보다 훨씬 큰 extended register state를 언제 저장하고 언제 복원하는지, lazy ownership과 signal frame까지 연결합니다.

Memory translation / ordering

3 ARCH

Page-table format: PTE bit, level과 huge mapping

같은 Linux PTE API 아래에서 arm64 descriptor, x86-64 PTE와 RISC-V Sv39/Sv48 PTE가 어떤 bit와 level을 사용하는지 비교합니다.

3 ARCH

Address-space switch: TTBR, CR3/PCID와 SATP/ASID

task의 mm_struct가 바뀔 때 page-table root와 ASID/PCID를 재사용하고 generation wrap을 처리하는 방식을 비교합니다.

3 ARCH

TLB shootdown: TLBI, INVLPG/INVPCID와 SFENCE.VMA

PTE 변경을 다른 CPU가 언제부터 관찰하는지 range flush, ASID tag, IPI와 completion 경계로 분석합니다.

3 ARCH

Cache coherency와 memory barrier: DMB/DSB, x86 ordering, FENCE

compiler barrier, SMP barrier, DMA barrier와 instruction-cache synchronization을 서로 다른 계약으로 나눕니다.

3 ARCH

Atomic RMW와 spinlock: LSE/LL-SC, LOCK과 AMO

atomic API의 relaxed/acquire/release/full variant가 세 ISA에서 어떤 instruction과 retry loop로 내려가는지 읽습니다.

Exception / IRQ / ABI

3 ARCH

Exception entry: vector table, IDT와 trap entry

CPU가 비동기 interrupt, synchronous fault, debug exception을 감지한 순간부터 pt_regs가 완성되고 C handler로 넘어갈 때까지를 세 ISA에서 나란히 읽습니다.

3 ARCH

IRQ controller: GICv3, local APIC/IOAPIC와 RISC-V INTC

device가 interrupt line이나 MSI를 올린 뒤 CPU가 interrupt ID를 읽고 irq_desc handler를 실행하고 EOI하는 전체 경로를 controller 관점에서 비교합니다.

3 ARCH

IPI와 SMP call: SGI, APIC ICR와 SBI/IMSIC

한 CPU가 다른 CPU에 reschedule, call-function, TLB flush, stop 요청을 보내고 완료를 기다리는 과정을 세 architecture의 mailbox와 interrupt mechanism으로 분석합니다.

3 ARCH

System call entry: SVC, SYSCALL과 ECALL

user ABI register에서 syscall number와 argument를 꺼내 seccomp, ptrace, audit를 거쳐 handler를 호출하고 user mode로 돌아가는 경로를 비교합니다.

3 ARCH

Signal frame과 user context 복원

kernel이 pending signal을 선택한 뒤 user stack에 rt_sigframe을 쓰고 handler로 PC를 바꾸며, rt_sigreturn이 register와 extended state를 복원하는 과정을 비교합니다.

3 ARCH

ptrace와 hardware debug register

debugger가 task를 정지시키고 register set, breakpoint, single-step 상태를 읽고 쓰는 경로를 architecture regset과 hardware slot 관점에서 비교합니다.

3 ARCH

Timer와 clocksource: architected timer, TSC와 RISC-V time

kernel이 단조 증가 시간을 읽고 다음 hrtimer deadline을 hardware comparator에 설정하며 CPU별 clock event를 처리하는 방식을 비교합니다.

Platform / virtualization / boot

3 ARCH

DMA, cache coherency와 IOMMU translation

driver가 CPU virtual address를 DMA address로 바꾼 뒤 device가 memory를 읽고 쓰며, IOMMU와 non-coherent cache maintenance가 그 주소와 ownership을 어떻게 보호하는지 비교합니다.

3 ARCH

PCIe MSI/MSI-X와 interrupt remapping

device가 특정 memory address에 data를 쓰는 MSI transaction이 GIC ITS, x86 APIC remapping, RISC-V IMSIC interrupt file로 변환되는 과정을 비교합니다.

3 ARCH

CPU idle, suspend와 resume context

CPU가 clock gating부터 system suspend까지 내려가면서 어느 register와 cache/coherency 상태를 잃고, firmware에서 돌아온 뒤 어떤 순서로 Linux execution context를 복구하는지 비교합니다.

3 ARCH

KVM virtualization: EL2, VMX/SVM과 RISC-V H-extension

KVM_RUN ioctl이 vCPU state를 hardware virtualization context에 넣고 guest를 실행한 뒤 exit reason을 host 또는 userspace가 처리하는 과정을 비교합니다.

3 ARCH

Stack unwind, function tracing과 return address 보호

panic, perf, ftrace와 live debugging이 현재 instruction에서 caller chain을 복원하는 방법과 compiler가 제공해야 하는 metadata를 비교합니다.

3 ARCH

Kernel module relocation과 instruction range

ELF module의 section을 vmalloc 영역에 배치하고 architecture relocation을 적용해 symbol address와 instruction immediate를 고치는 방법을 비교합니다.

3 ARCH

Boot firmware handoff: DTB, ACPI, EFI와 setup_arch

bootloader/firmware가 kernel image, memory map, CPU topology와 command line을 넘긴 뒤 각 architecture가 early mapping과 platform description을 확정하는 과정을 비교합니다.

Boot / Init

완료

arm64 Image header

부트로더가 Image를 인식하는 64-byte header.

 완료

primary_entry

MMU 상태 기록, boot args 저장, idmap 생성.

 완료

__primary_switch

MMU enable, KASLR, relocation, __primary_switched.

 도식+코드

start_kernel()

C 코드 진입 후 첫 번째 큰 초기화 흐름.

 도식+코드

setup_arch()

arch-specific memory, dtb, cpu, paging setup.

 도식+코드

rest_init()

pid 1 init, kthreadd, idle thread 전환.

 도식+코드

kernel_init_freeable()

initcall, rootfs, namespace 준비.

 도식+코드

init process 실행

/init, init=, rdinit=, /sbin/init fallback.

Memory

도식+코드

memblock

buddy allocator 전 early physical memory 관리.

 도식+코드

paging_init

architecture page table 초기화.

 도식+코드

mm_core_init

page allocator, slab, vmalloc로 넘어가는 관문.

 도식+코드

buddy allocator

zone, free_area, order 기반 page 할당.

 도식+코드

SLUB

kmem_cache, object allocator, per-cpu freelist.

 도식+코드

vmalloc

불연속 physical page를 연속 VA로 제공.

 도식+코드

page fault

do_page_fault, handle_mm_fault, fault flags.

 도식+코드

reclaim

LRU, shrinker, kswapd, direct reclaim.

 도식+코드

compaction

high-order allocation 실패와 page migration.

Scheduler

도식+코드

sched_init

runqueue, idle task, scheduler class 초기화.

 도식+코드

CFS

vruntime, rb-tree, fair scheduling.

 도식+코드

RT scheduler

rt_rq, priority, push/pull balancing.

 도식+코드

scheduler tick

timer tick, preemption, time slice accounting.

 도식+코드

load balancing

sched domain, cpu capacity, migration.

 도식+코드

NOHZ

tickless idle와 scheduler accounting.

IRQ / Time

도식+코드

early_irq_init

irq_desc와 irq domain 초기 틀.

 도식+코드

init_IRQ

architecture interrupt controller 초기화.

 도식+코드

GIC

arm64 GIC distributor, redistributor, irqchip.

 x86-64

IDT / APIC

x86-64 exception, hardware IRQ, syscall과 AP startup.

 RISC-V 64

Trap / SBI IPI

scause dispatch, trap frame과 secondary hart.

 도식+코드

softirq

softirq vector, ksoftirqd, bottom half.

 도식+코드

hrtimer

high-resolution timer와 clockevent.

 도식+코드

timekeeping

clocksource, jiffies, sched_clock.

Process / Syscall

도식+코드

fork_init

task_struct cache와 pid 구조 준비.

 도식+코드

copy_process

fork/clone의 중심 경로.

 도식+코드

execve

binary loader, mm 교체, argv/envp 복사.

 도식+코드

exit

do_exit, wait, zombie, reparenting.

 도식+코드

syscall entry

arm64 el0_svc, syscall table, return path.

 도식+코드

signal

signal delivery, sigframe, return trampoline.

File System

도식+코드

vfs_caches_init

dentry, inode, file cache 초기화.

 도식+코드

path lookup

namei, dcache, mount crossing.

 도식+코드

open/read/write

file descriptor부터 file_operations까지.

 도식+코드

page cache

address_space, folio, readahead, writeback.

 도식+코드

ext4

superblock, inode, journal, extent.

 도식+코드

f2fs

flash-friendly layout, segment, node, checkpoint.

Block / Storage

도식+코드

bio

block I/O 요청의 기본 단위.

 도식+코드

request queue

blk-mq, tag, hardware queue.

 도식+코드

I/O scheduler

mq-deadline, kyber, none.

 도식+코드

partition scan

gendisk, block device, partition table.

 도식+코드

eMMC/UFS

embedded storage driver path.

Network

도식+코드

net_ns_init

network namespace 초기화.

 도식+코드

netdev

struct net_device와 driver 등록.

 도식+코드

RX path

NAPI, GRO, protocol stack 진입.

 도식+코드

TX path

qdisc, dev_queue_xmit, driver hard_start_xmit.

 도식+코드

socket

sys_socket부터 proto_ops까지.

Driver / Device

도식+코드

driver_init

driver core, kobject, bus, class, device.

 도식+코드

device tree

of_node, compatible matching, platform device.

 도식+코드

platform driver

probe, resource, irq, regmap.

 도식+코드

clock/reset/regulator

SoC IP bring-up에서 자주 막히는 dependency.

 도식+코드

runtime PM

pm_runtime_get/put, autosuspend.

Locking / RCU

도식+코드

spinlock

preemption, IRQ save, atomic context.

 도식+코드

mutex

sleepable lock과 owner tracking.

 도식+코드

RCU init

rcu_init, grace period, callback.

 도식+코드

lockdep

lock class, dependency graph, selftest.

 도식+코드

atomic/refcount

memory ordering과 lifetime 관리.