微内核操作系统多核支持的设计与实现

论文摘要

随着微处理器技术的不断发展,多核处理器已经渐渐普及,现在的个人PC机基本上都已采用多核处理器,硬件的发展需要配套软件的跟进,因此作为最为重要的配套软件的操作系统对多核架构的支持成为当今研究的热点。微内核架构的操作系统拥有可靠性,安全性以及灵活性等诸多优点,一直是操作系统技术研究的重要方向。Minix3是当前开发工作比较活跃的二代微内核操作系统,但是Minix3尚不支持多核架构,本文研究Minix3对多核处理器架构的支持。本文首先介绍了微内核的相关知识,包括微内核的发展及其特点,其中着重分析了本文的研究对象—Minix3的系统构成；然后介绍了多核处理器技术的特点,并将其与多处理器结构做比较,得出结论：多核处理器架构与多处理器架构的最大区别在于多核架构下的处理器核共享一些硬件资源,如最后一级缓存,前端总线,内存控制器等,并行执行的进程对共享资源的争用会影响系统的性能,本文认为,操作系统对多核架构的支持不仅要包括功能上的支持,还必须包含对多核架构下的共享资源的优化处理。由于Minix3在功能上尚不支持多核,所以本文的研究内容就包括了Minix3操作系统对多核架构功能的支持以及面向多核架构的系统优化两点：1. Minix3对多核架构的支持。本文深入研究了Intel多核架构的特点,比较多核与单核在硬件结构上的差异,详细分析了Minix3内核代码、Linux部分内核代码以及有关微内核操作系统多处理器支持的学术文章,从系统结构和功能的角度研究了操作系统对多核架构的支持机制。对于结构设计,本文采取对微内核进行细粒度的加锁来支持多核,并通过将服务进程和应用程序放在不共享Cache的处理器核上运行来保证服务进程运行的质量；对于功能设计,本文根据Minix3操作系统的实际情况,从多核引导初始化、中断管理、进程调度、处理器同步互斥以及高速缓存和内核的一致性等系统功能部分描述其在单核与多核环境下的不同点,然后给出了Minix3微内核操作系统支持多核的功能设计方案。2.面向多核架构的Minix3系统优化。本文对于多核架构下操作系统的优化着眼于减少进程并行执行时的L2Cache争用。在研究当前学术界有关多核处理器架构下Cache管理技术,并分析其利弊后,本文提出了Minix3系统下实用的减少L2Cache争用的方法：采用策略控制系统整体的Cache失效次数在一个较低的水平上

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微内核多处理器支持的研究现状
• 1.2.2 多核共享资源管理的研究现状
• 1.3 本文研究内容及主要工作
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 相关技术介绍
• 2.1 微内核体系结构
• 2.1.1 操作系统微内核技术
• 2.1.2 Minix3微内核操作系统
• 2.2 多核处理器技术
• 2.2.1 主流的多核处理器技术
• 2.2.2 多核与对称多处理器的对比
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统结构设计
• 3.1 内核单实例模型
• 3.1.1 主从结构
• 3.1.2 对称结构
• 3.2 内核多实例模型
• 3.3 本系统设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 系统功能设计
• 4.1 多核的引导与初始化
• 4.1.1 Minix3引导与初始化
• 4.1.2 支持多核的引导与初始化
• 4.2 中断管理
• 4.2.1 APIC系统
• 4.2.2 本系统中断处理设计方案
• 4.3 进程调度
• 4.3.1 Minix3进程调度
• 4.3.2 支持多核的Minix3进程调度
• 4.4 处理器同步与互斥
• 4.4.1 多核架构下处理器核的同步与互斥
• 4.4.2 Minix3处理器间同步与互斥实现
• 4.5 高速缓存与内存的一致性
• 4.5.1 TLB与内存一致性的实现
• 第五章 多核架构下的优化策略
• 5.1 多核优化分析
• 5.2 多核优化设计
• 5.2.1 评价指标的选取
• 5.2.2 优化策略
• 5.3 本章小结
• 第六章 实验环境与结果
• 6.1 实验环境
• 6.2 实验方法
• 6.3 性能测试
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间参加的项目和发表的文章