專利名稱：多核處理器操作系統(tǒng)設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及操作系統(tǒng)設計領域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種多核處理器操作系統(tǒng)設計方法。
背景技術：
多核處理器的結構日益復雜。從對稱多核處理器CMP (Chip multiprocessors,單芯片多處理器)，到異構多核處理器以及類NUMA (Non Uniform Memory AccessAchitecture，非一致性內(nèi)存訪問)多核處理器，操作系統(tǒng)的設計需要耗費更多的精力對復雜結構進行相應優(yōu)化。與此同時，多核處理器的核心數(shù)量也在迅速增長，擴展的“摩爾定律”預言并證實了核心數(shù)量的指數(shù)增長速率。傳統(tǒng)多核操作系統(tǒng)(如Linux、Windows等宏內(nèi)核架構)的可擴展性受到鎖競爭與Cache (高速緩沖存儲器)缺失的限制。以類NUMA結構多核處理器為例。類NUMA結構處理器的特點是不同核心(或核組)非共享Cache，核(或核組)間Cache易于缺失，因而核(或核組)間的內(nèi)存訪問效率較低，這給操作系統(tǒng)的設計帶來了困難，目前面向該結構的已有傳統(tǒng)多核操作系統(tǒng)性能較低。在未來處理器核數(shù)增長的情況下，操作系統(tǒng)還需依賴于調(diào)整鎖粒度以適應新的處理器，鎖設計的復雜度與開銷都將隨之進一步增大，使設計周期更長，性能與可擴展能力進一步受到限制?？梢?，對于復雜結構多核處理器，設計傳統(tǒng)多核操作系統(tǒng)的工作量大，性能提高也較為有限。因此，需要有一種新的操作系統(tǒng)設計方法，以適應未來核數(shù)迅速增長，真正將硬件性能增長轉(zhuǎn)化為操作系統(tǒng)性能提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術中存在上述缺陷，提供一種適應復雜多核處理器核數(shù)增長的操作系統(tǒng)設計方法。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種多核處理器操作系統(tǒng)設計方法，其包括:第一步驟:用于建立基于資源劃分的多系統(tǒng)架構；第二步驟:用于建立全局資源管理機制。優(yōu)選地，在第一步驟中，將處理器和內(nèi)存按照同構和緊耦合的原則進行劃分，以使得每個核單獨運行一份操作系統(tǒng)鏡像，并且每個核獨立擁有部分CPU核資源和所劃分的內(nèi)存資源。優(yōu)選地，在第一步驟中，設備資源根據(jù)資源類型劃分使用或通過設備虛擬化共享給多個操作系統(tǒng)鏡像。優(yōu)選地，在第二步驟中，在多個操作系統(tǒng)鏡像的基礎上，通過內(nèi)核數(shù)據(jù)分布式共享方式，將操作系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)共享為多個操作系統(tǒng)鏡像可見，并且通過應用一致性協(xié)議來保證多個操作系統(tǒng)鏡像之間核心數(shù)據(jù)的一致性。優(yōu)選地，在第二步驟中，通過網(wǎng)絡虛擬化和遠程通信接口封裝在多個操作系統(tǒng)鏡像之間建立統(tǒng)一和透明的通信機制。優(yōu)選地，在第二步驟中，通過內(nèi)核數(shù)據(jù)分布式共享技術及遠程通信接口封裝技術等建立起的全局資源管理機制，將分布的多個操作系統(tǒng)鏡像統(tǒng)一起來，對外體現(xiàn)為單一操作系統(tǒng)映像。根據(jù)本發(fā)明的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法的優(yōu)點在于能夠充分利用多核資源并達到較好的可擴展性，該方法通過數(shù)據(jù)分布合理規(guī)避了鎖競爭以及Cache缺失等限制，創(chuàng)造出一種新的操作系統(tǒng)可擴展途徑。采用該設計方法實現(xiàn)的多核操作系統(tǒng)具有良好的性能和可擴展性，該操作系統(tǒng)設計方法能夠適應未來核數(shù)迅速增長的復雜多核處理器，將硬件性能增長轉(zhuǎn)化為操作系統(tǒng)性能提高。


結合附圖，并通過參考下面的詳細描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點和特征，其中:圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法的流程圖。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法的具體示例的示意圖。需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結構的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標有相同或者類似的標號。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi)容進行詳細描述。本發(fā)明基于“分而治之再合而為一”的思想，提出并設計了一種適應復雜多核處理器核數(shù)增長的多核操作系統(tǒng)設計方法。該方法的設計思路來源于分布式計算，具體思路為首先將操作系統(tǒng)分割成彼此相對獨立的各子系統(tǒng)，彼此基于消息通信，然后松散耦合成數(shù)據(jù)一致性要求較低的整體系統(tǒng)。該設計方法具體實現(xiàn)時可充分利用分布處理以及虛擬化等技術手段。具體地說，圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法的流程圖。更具體地說，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法包括:第一步驟S1:用于建立基于資源劃分的多系統(tǒng)架構；具體地說，為更加靈活地使用多核資源，將處理器和內(nèi)存按照同構和緊耦合的原則進行劃分，以使得每個核(組)單獨運行一份操作系統(tǒng)鏡像，并且每個核(組)獨立擁有部分CPU核資源和所劃分的內(nèi)存資源。此夕卜，優(yōu)選地，諸如網(wǎng)卡之類的除處理器與內(nèi)存之外的其它設備的設備資源則根據(jù)資源類型劃分使用或通過設備虛擬化共享給多個操作系統(tǒng)鏡像。虛擬化技術是多操作系統(tǒng)鏡像的支撐手段，虛擬機管理器統(tǒng)一管理資源的仲裁使用，能很好地保證該模式系統(tǒng)運行的正確性、穩(wěn)定性和可靠性。第一步驟Si實現(xiàn)了 “分而治之”。
第二步驟S2:用于建立全局資源管理機制；具體地說，在多個操作系統(tǒng)鏡像的基礎上，通過內(nèi)核數(shù)據(jù)分布式共享方式，將操作系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)共享為多個操作系統(tǒng)鏡像可見，通過應用一致性協(xié)議來保證多個操作系統(tǒng)鏡像之間核心數(shù)據(jù)的一致性；此外，優(yōu)選地，例如通過網(wǎng)絡虛擬化和遠程通信接口封裝或者其它適當技術，在多個操作系統(tǒng)鏡像之間建立統(tǒng)一和透明的通信機制，即將分布的多個操作系統(tǒng)鏡像統(tǒng)一起來，對外體現(xiàn)為單一操作系統(tǒng)映像?；谏鲜黾夹g手段建立起全局資源管理機制，將分布的多個操作系統(tǒng)鏡像統(tǒng)一起來，對外體現(xiàn)為單一操作系統(tǒng)映像。第二步驟S2實現(xiàn)了 “合而為一”。下文將參考圖2以類NUMA結構多核處理器為例，詳細描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法的具體示例的示意圖。具體地說，在第一步驟中，建立基于資源劃分的多系統(tǒng)架構。將處理器和內(nèi)存按照同構和緊耦合的原則進行劃分，使得第一處理器核組CGO (CG，core group)單獨運行第一操作系統(tǒng)鏡像0S0，第二處理器核組CGl單獨運行第二操作系統(tǒng)鏡像0S1，第三處理器核組CG2單獨運行第三操作系統(tǒng)鏡像0S2，第四處理器核組CG3單獨運行第四操作系統(tǒng)鏡像0S3 ；而且，第一處理器核組CGO獨立擁有第一內(nèi)存區(qū)域MO，第二處理器核組CGl獨立擁有第二內(nèi)存區(qū)域M1，第三處理器核組CG2獨立擁有第三內(nèi)存區(qū)域M2，第四處理器核組CG3獨立擁有第四內(nèi)存區(qū)域M3 ;再者，四個操作系統(tǒng)鏡像OS (第一操作系統(tǒng)鏡像0S1、第二操作系統(tǒng)鏡像0S1、第三操作系統(tǒng)鏡像0S2和第四操作系統(tǒng)鏡像0S3)根據(jù)不同設備資源的特征，劃分或共享的使用設備資源；最后，四個操作系統(tǒng)鏡像分別擁有用于統(tǒng)一管理資源的第一虛擬機管理器VMMO、第二虛擬機管理器VMMl、第三虛擬機管理器VMM2和第四虛擬機管理器VMM3。在第二步驟中，建立全局資源管理機制。可以在第一操作系統(tǒng)鏡像0S1、第二操作系統(tǒng)鏡像0S1、第三操作系統(tǒng)鏡像0S2和第四操作系統(tǒng)鏡像0S3的基礎上，通過內(nèi)核數(shù)據(jù)分布式共享方式，將操作系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)共享為多個操作系統(tǒng)鏡像可見，其中通過應用一致性協(xié)議來保證多個操作系統(tǒng)鏡像之間核心數(shù)據(jù)的一致性；此外，通過網(wǎng)絡虛擬化和遠程通信接口封裝，在多個操作系統(tǒng)鏡像之間建立統(tǒng)一和透明的通信機制。全局資源管理(進程，內(nèi)存，設備)將分布的多個操作系統(tǒng)鏡像統(tǒng)一起來，對外體現(xiàn)為單一操作系統(tǒng)映像。由此，即使第一用戶O、第二用戶1、第三用戶2和第四用戶3分別占用第一處理器核組CG0、第二處理器核組CG1、第三處理器核組CG2和第四處理器核組CG3，而第一處理器核組CG0、第二處理器核組CG1、第三處理器核組CG2和第四處理器核組CG3分別單獨運行第一操作系統(tǒng)鏡像0S0、第二操作系統(tǒng)鏡像0S1、第三操作系統(tǒng)鏡像0S2和第四操作系統(tǒng)鏡像0S3，多核處理器整體也對第一用戶O、第二用戶1、第三用戶2和第四用戶3體現(xiàn)為單一操作系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法的優(yōu)點在于能夠充分利用多核資源并達到較好的可擴展性。該方法通過數(shù)據(jù)分布合理規(guī)避了鎖競爭以及Cache缺失等限制，創(chuàng)造出一種新的操作系統(tǒng)可擴展途徑。實際測試表明，用該設計方法實現(xiàn)的多核操作系統(tǒng)具有良好的性能和可擴展性，該操作系統(tǒng)設計方法能夠適應未來核數(shù)迅速增長的復雜多核處理器，將硬件性能增長轉(zhuǎn)化為操作系統(tǒng)性能提高。此外，需要說明的是，除非特別指出，否則說明書中的術語“第一”、“第二”、“第三”等描述僅僅用于區(qū)分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關系或者順序關系等?？梢岳斫獾氖牵m然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領域的技術人員而言，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術內(nèi)容對本發(fā)明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種多核處理器操作系統(tǒng)設計方法，其特征在于包括: 第一步驟:用于建立基于資源劃分的多系統(tǒng)架構； 第二步驟:用于建立全局資源管理機制。
2.根據(jù)權利要求1所述的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法，其特征在于，在第一步驟中，將處理器和內(nèi)存按照同構和緊耦合的原則進行劃分，以使得每個核單獨運行一份操作系統(tǒng)鏡像，并且每個核獨立擁有部分CPU核資源和所劃分的內(nèi)存資源。
3.根據(jù)權利要求2所述的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法，其特征在于，在第一步驟中，設備資源根據(jù)資源類型劃分使用或通過設備虛擬化共享給多個操作系統(tǒng)鏡像。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法，其特征在于，在第二步驟中，在多個操作系統(tǒng)鏡像的基礎上，通過內(nèi)核數(shù)據(jù)分布式共享方式，將操作系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)共享為多個操作系統(tǒng)鏡像可見，并且通過應用一致性協(xié)議來保證多個操作系統(tǒng)鏡像之間核心數(shù)據(jù)的一致性。
5.根據(jù)權利要求2或3所述的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法，其特征在于，在第二步驟中，通過網(wǎng)絡虛擬化和遠程通信接口封裝等技術，在多操作系統(tǒng)之間建立統(tǒng)一和透明的通信機制。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的多核處理器操作系統(tǒng)設計方法，其特征在于，在第二步驟中，通過內(nèi)核數(shù)據(jù)分布式共享技術及遠程通信接口封裝技術等建立起的全局資源管理機制，將分布的多操作系統(tǒng)統(tǒng)一起來，對外體現(xiàn)為單一操作系統(tǒng)映像。
全文摘要
一種多核處理器操作系統(tǒng)設計方法，包括第一步驟，用于建立基于資源劃分的多系統(tǒng)架構；第二步驟，用于建立全局資源管理機制。在第一步驟中，將處理器和內(nèi)存按照同構和緊耦合的原則進行劃分，以使得每個核單獨運行一份操作系統(tǒng)鏡像，并且每個核獨立擁有部分CPU核資源和所劃分的內(nèi)存資源；設備資源根據(jù)資源類型劃分使用或通過設備虛擬化共享給多個操作系統(tǒng)鏡像。在第二步驟中，在多個操作系統(tǒng)鏡像的基礎上，通過內(nèi)核數(shù)據(jù)分布式共享技術及遠程通信接口封裝技術等，建立起全局資源管理機制，將分布的多操作系統(tǒng)統(tǒng)一起來，對外體現(xiàn)為單一操作系統(tǒng)映像。
文檔編號G06F9/50GK103150217SQ20131010400
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權日2013年3月27日
發(fā)明者梁榮曉, 郭毅, 石良軍, 于穎超, 劉了 申請人:無錫江南計算技術研究所