多核對分區(qū)操作系統(tǒng)影響研究

摘 要： 分區(qū)操作系統(tǒng)是綜合化航空電子領(lǐng)域中的核心技術(shù)。隨著單核性能極限的到來，處理器結(jié)構(gòu)向著多核發(fā)展。將兩者結(jié)合起來，在多核分區(qū)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究分析多核處理器結(jié)構(gòu)為分區(qū)操作系統(tǒng)帶來的影響。經(jīng)分析實驗數(shù)據(jù)得出多核處理器結(jié)構(gòu)在多核處理器中共享Cache結(jié)構(gòu)和內(nèi)核中臨界資源并發(fā)訪問兩方面對分區(qū)操作系統(tǒng)產(chǎn)生影響。
關(guān)鍵詞： 多核；分區(qū)；操作系統(tǒng)

綜合化航空電子IMA（Integrated Modular Avionics）系統(tǒng)是第四代航空電子的發(fā)展方向。綜合化航空電子致力于最大化利用計算機硬件資源，減少航空電子設(shè)備對飛行器的負載，提高飛行器運載能力。
分區(qū)機制是綜合化航空電子的核心技術(shù)。分區(qū)機制是指將系統(tǒng)資源（內(nèi)存、I/O等）進行配置，建立多個分區(qū)，分區(qū)中包含系統(tǒng)所分配的資源，分區(qū)與分區(qū)之間相互隔離。分區(qū)包括時間分區(qū)和空間分區(qū)。時間分區(qū)是指系統(tǒng)為分區(qū)之間提供時間維度的隔離，分區(qū)都有屬于自己的處理器獨立使用時間，并且時間不受其他分區(qū)影響；空間分區(qū)是指系統(tǒng)為分區(qū)之間提供空間維度的隔離，空間包括內(nèi)存地址空間及I/O地址空間。通過空間分區(qū)隔離技術(shù)分區(qū)無法訪問本分區(qū)外的空間資源，而外分區(qū)同樣無法訪問本分區(qū)內(nèi)空間資源。不同應(yīng)用運行于不同的分區(qū)內(nèi)，應(yīng)用之間由于分區(qū)間的隔離而無法感知到其他分區(qū)應(yīng)用的存在而認為獨享整個硬件資源。所以通過分區(qū)機制可以實現(xiàn)將運行于不同硬件上的應(yīng)用運行于同一硬件平臺，并且相互之間互不影響，從而實現(xiàn)綜合化航空電子系統(tǒng)。
單核處理器已經(jīng)達到性能瓶頸，無法靠增加頻率、帶寬帶來性能的提升。處理器結(jié)構(gòu)正向多核發(fā)展。處理器這種結(jié)構(gòu)上的變化在多方面影響操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，比如多核處理器系統(tǒng)中任務(wù)并發(fā)訪問臨界資源以及多核處理器結(jié)構(gòu)中Cache一致性等。
多核處理器在硬件層面的變化會影響到操作系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用，本文通過實驗分析了多核結(jié)構(gòu)帶來的影響。
1 多核分區(qū)操作系統(tǒng)
1.1 LESOS操作系統(tǒng)
LESOS是北航嵌入式實驗室一款多核分區(qū)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)在硬件上支持現(xiàn)在常見的多核處理器SMP（Symmetrical Multi-Processing）結(jié)構(gòu)，在軟件上支持線程、進程、虛擬內(nèi)存管理等功能。系統(tǒng)中相應(yīng)的參數(shù)如表1所示。

本文后續(xù)工作都基于此操作系統(tǒng)完成。
1.2 分區(qū)模型
分區(qū)操作系統(tǒng)中，分區(qū)是資源的載體，任務(wù)是操作的載體。系統(tǒng)為分區(qū)分配其所需的資源，如內(nèi)存、I/O、處理器執(zhí)行時間等；分區(qū)則通過具體的任務(wù)完成相應(yīng)的功能。一個分區(qū)中包含有若干不同的任務(wù)，每個任務(wù)有不同的任務(wù)優(yōu)先級；分區(qū)內(nèi)部的所有任務(wù)共享此分區(qū)內(nèi)部資源。系統(tǒng)中每個任務(wù)屬于且只能屬于一個分區(qū)，任務(wù)不能脫離分區(qū)單獨存在。
1.3 分區(qū)調(diào)度
雙層調(diào)度模型選擇一個要執(zhí)行的任務(wù)，首先需要在分區(qū)一級進行調(diào)度，選擇相應(yīng)的分區(qū)作為候選分區(qū)，然后在候選分區(qū)的所有任務(wù)中選擇相應(yīng)的任務(wù)作為候選任務(wù)。由于在調(diào)度過程中需要在兩個級別進行兩次選擇，所以稱為雙層調(diào)度。
首先在分區(qū)內(nèi)部的調(diào)度中，調(diào)度器的調(diào)度單位是任務(wù)。此層調(diào)度使用的是基于優(yōu)先級搶占式的調(diào)度算法，目的是使分區(qū)內(nèi)部重要的任務(wù)能夠及時得到處理。調(diào)度器在所需調(diào)度的分區(qū)內(nèi)部所有的任務(wù)中選擇優(yōu)先級最高的任務(wù)作為此次調(diào)度的結(jié)果。
其次在分區(qū)之間的調(diào)度中，調(diào)度器的調(diào)度單位是分區(qū)。此層調(diào)度使用靜態(tài)時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，目的是使各個分區(qū)之間都能夠得到相應(yīng)的運行時間，不會因為某些分區(qū)的異常而導(dǎo)致其他分區(qū)無法運行。調(diào)度器依據(jù)當前系統(tǒng)時間以及靜態(tài)調(diào)度表選擇適當分區(qū)作為此次調(diào)度的結(jié)果。
最后為了支持多核處理器，調(diào)度器為每個處理器核心維護一張靜態(tài)調(diào)度表，這樣每個處理器可以在自身的靜態(tài)調(diào)度表中進行調(diào)度，從而避免相互影響。每個處理器需要獲得一個要執(zhí)行的任務(wù)時，首先通過處理器本身的靜態(tài)表進行分區(qū)調(diào)度選擇合適的分區(qū)，然后在選中的分區(qū)中進行分區(qū)內(nèi)部的任務(wù)調(diào)度選擇出合適的任務(wù)，此任務(wù)就是處理器下一個要執(zhí)行的任務(wù)。
2 測試及數(shù)據(jù)
多核處理器與單核處理器結(jié)構(gòu)上的不同會影響操作系統(tǒng)及上層應(yīng)用程序的行為、性能。本文在前述工作的基礎(chǔ)上通過以下實驗研究分析多核處理器結(jié)構(gòu)為分區(qū)操作系統(tǒng)所帶來的影響。
2.1 測試環(huán)境
本文的實現(xiàn)工作是基于Freescale的HPCNet-8641D平臺。平臺中兩顆PowerPC E600處理器運行于SMP模式。平臺基本參數(shù)如下：處理器頻率1 GHz，系統(tǒng)總線頻率400 MHz，內(nèi)存512 MB。兩顆處理器中分別包含指令、數(shù)據(jù)為32 KB的一級Cache以及共享1 MB的二級Cache。此外，平臺還有Dual-UART、千兆以太網(wǎng)卡等外設(shè)接口。
2.2 多核分區(qū)對Cache的影響
由于多核處理器結(jié)構(gòu)從物理層面上引入了共享Cache，所以本文設(shè)計以下實驗分析多核處理器結(jié)構(gòu)在Cache方面對上層應(yīng)用的影響。
首先，在單核分區(qū)操作系統(tǒng)上分別執(zhí)行不同大小數(shù)據(jù)量的讀、寫、拷貝任務(wù)，測試訪問不同大小數(shù)據(jù)量的相關(guān)操作執(zhí)行時間。因為在多核處理器上，Cache分為兩級，一級為32 KB處理器本地Cache，以及共享1 MB的二級Cache，所以在設(shè)計實驗時將數(shù)據(jù)量分為兩類，一類是一級Cache內(nèi)不同數(shù)據(jù)量的訪問測試，另一類是大于一級Cache大小數(shù)據(jù)量訪問的測試。其次，在多核分區(qū)操作系統(tǒng)上處于不同處理器上的分區(qū)同時運行上述任務(wù)，收集相關(guān)測試數(shù)據(jù)。最后，將兩者同性質(zhì)的數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果如圖1～圖6所示。