1、操作系統(tǒng)對多核處理器的支持方法dlut085/6/7周一晚1outline并行計(jì)算機(jī)訪存模型調(diào)度與中斷輸入輸出系統(tǒng)存儲管理與文件系統(tǒng)虛擬化技術(shù)平臺虛擬化資源虛擬化2UMA（均勻存儲訪問）模型物理存儲器被所有節(jié)點(diǎn)共享；所有節(jié)點(diǎn)訪問任意存儲單元的時(shí)間相同；發(fā)生訪存競爭時(shí)，仲裁策略平等對待每個(gè)節(jié)點(diǎn)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)會均等；各節(jié)點(diǎn)的CPU可帶有局部私有高速緩存；外圍I/O設(shè)備也可以共享，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有平等的訪問權(quán)利。當(dāng)前對稱多處理器共享存儲并行計(jì)算機(jī)SMP均采用這種模型（一臺機(jī)器上多個(gè)CPU）3NUMA（非均勻存儲訪問）模型物理存儲器被所有節(jié)點(diǎn)共享，任意節(jié)點(diǎn)可以直接訪問任意內(nèi)存模塊；節(jié)點(diǎn)訪問內(nèi)存模塊的速度不

2、同，訪問本地存儲模塊的速度一般是訪問其它節(jié)點(diǎn)內(nèi)存模塊的3倍以上；發(fā)生訪存競爭時(shí)，仲裁策略對節(jié)點(diǎn)可能是不等價(jià)的；各節(jié)點(diǎn)的CPU可帶有局部私有高速緩存 （cache）；外圍I/O設(shè)備也可以共享，但對各節(jié)點(diǎn)是不等價(jià)的。SGI Origin系列并行計(jì)算機(jī)，采用基于cache目錄一致性的非均勻訪存模型（CCNUMA），設(shè)計(jì)了專門的硬件，保證在任意時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)cache中數(shù)據(jù)與全局內(nèi)存數(shù)據(jù)的一致性。4COMA（全高速緩存存儲訪問）模型各處理器節(jié)點(diǎn)中沒有存儲層次結(jié)構(gòu)，全部高速緩存組成了全局地址空間；利用分布的高速緩存目錄D進(jìn)行遠(yuǎn)程高速緩存的訪問；COMA中的高速緩存容量一般都大于2級高速緩存容量使用COMA時(shí)

3、，數(shù)據(jù)開始時(shí)可以任意分配，因?yàn)樵谶\(yùn)行時(shí)它最終會被遷移到要用到它的地方。5NORMA（非遠(yuǎn)程存儲訪問）模型所有存儲器都是私有的，僅能由其本地處理器訪問；基于消息傳遞的并行計(jì)算機(jī)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是由一臺處理器、本地存儲器和I/O外設(shè)組成的自治計(jì)算機(jī)。絕大多數(shù)NORMA都不支持遠(yuǎn)程存儲器的訪問；在DSM（分布式共享內(nèi)存）中，NORMA就消失了。6構(gòu)建并行機(jī)系統(tǒng)的不同存儲結(jié)構(gòu)7outline并行計(jì)算機(jī)訪存模型調(diào)度與中斷輸入輸出系統(tǒng)存儲管理與文件系統(tǒng)虛擬化技術(shù)平臺虛擬化資源虛擬化8多核操作系統(tǒng)中進(jìn)程的分配與調(diào)度進(jìn)程的分配將進(jìn)程分配到合理的物理核上，因?yàn)椴煌暮嗽诠蚕硇院蜌v史運(yùn)行情況下都是不同的。有的物理核能

4、夠共享二級cache，而有的卻是獨(dú)立的。進(jìn)程間數(shù)據(jù)共享分配給有共享二級cache的核，提升命中率。9多核下操作系統(tǒng)調(diào)度的研究熱點(diǎn)程序的并行研究；多進(jìn)程的時(shí)間相關(guān)性研究；任務(wù)的分配與調(diào)度；緩存的錯(cuò)誤共享；一致性訪問研究；進(jìn)程間通信；多處理器核內(nèi)部資源競爭；。 。10任務(wù)的分配單核：只有一個(gè)核的資源可以使用不存在核的任務(wù)分配問題；多核：多個(gè)進(jìn)程如何在各個(gè)核中分配？均勻分配？一起分配到一個(gè)核？按照一定的算法分配？受底層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響SMP架構(gòu)只共享內(nèi)存CMP架構(gòu)也會共享二級緩存11任務(wù)的調(diào)度各個(gè)核一致的調(diào)度算法各個(gè)核獨(dú)立的調(diào)度算法進(jìn)程是否一直運(yùn)行在同一個(gè)核？還是遷移？怎樣調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)和普通任務(wù)（優(yōu)先級

5、不同）？系統(tǒng)是否要進(jìn)行負(fù)載均衡？調(diào)度策略（單核）多核呢？先來先服務(wù)FCFS最短作業(yè)優(yōu)先SJF優(yōu)先級調(diào)度輪轉(zhuǎn)法RR多級隊(duì)列調(diào)度12Linux 2.6內(nèi)核的調(diào)度算法時(shí)間復(fù)雜度O(1)(1)系統(tǒng)為每個(gè)處理器都維護(hù)一個(gè)單獨(dú)的就緒隊(duì)列活動(dòng)的就緒隊(duì)列：包含當(dāng)前時(shí)間片還有剩余的就緒任務(wù)擴(kuò)展的就緒隊(duì)列：包含那些時(shí)間片已經(jīng)用完的，重新分配時(shí)間片的就緒任務(wù)。(2)任務(wù)的調(diào)度是基于優(yōu)先級調(diào)度的每個(gè)處理器上的任務(wù)共有140個(gè)優(yōu)先級，每個(gè)就緒任務(wù)的優(yōu)先級通過散列函數(shù)直接映射到處理器的位圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，通過位圖的find-first-bit可以找到優(yōu)先級最高的執(zhí)行(3)活動(dòng)就緒隊(duì)列和擴(kuò)展就緒隊(duì)列通過指針轉(zhuǎn)換(4)負(fù)載均衡一

6、個(gè)core的任務(wù)結(jié)束，轉(zhuǎn)而處理其他最忙core上的任務(wù)若所有core都有任務(wù)，則每200ms檢查是否均衡13多核調(diào)度算法對任務(wù)的分配進(jìn)行優(yōu)化。使同一應(yīng)用程序的任務(wù)盡量在一個(gè)核上執(zhí)行，以便達(dá)到有共享數(shù)據(jù)的任務(wù)盡量在一個(gè)核上面運(yùn)行，而共享數(shù)據(jù)量少或者沒有的任務(wù)在不同核上進(jìn)行。對任務(wù)的共享數(shù)據(jù)優(yōu)化。由于CMP體系結(jié)構(gòu)共享二級緩存，可以考慮改變?nèi)蝿?wù)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)分布，使任務(wù)在執(zhí)行時(shí)盡量增加二級緩存的命中率。對任務(wù)的負(fù)載均衡優(yōu)化。當(dāng)任務(wù)在調(diào)度時(shí)，出現(xiàn)了負(fù)載不均衡，考慮將較忙處理器中與其他任務(wù)最不相關(guān)的任務(wù)遷移，以達(dá)到數(shù)據(jù)的沖突量小。14outline并行計(jì)算機(jī)訪存模型調(diào)度與中斷輸入輸出系統(tǒng)存儲管理與文件

7、系統(tǒng)虛擬化技術(shù)平臺虛擬化資源虛擬化15高級編程中斷控制器APIC是基于中斷控制器分散在兩個(gè)基礎(chǔ)功能單元本地單元以及I/O單元的分布式體系結(jié)構(gòu)。在多核系統(tǒng)中，多個(gè)本地和I/O APIC單元能夠作為一個(gè)整體通過ICC總線互相操作。APIC發(fā)揮的功能有：接受來自處理器中斷引腳中的內(nèi)部或外部I/O APIC的中斷，然后將這些中斷發(fā)送給處理器核處理。在多核處理器系統(tǒng)中，接收發(fā)送核內(nèi)中斷消息。多核體系處理器中，必須將中斷處理分發(fā)給一組核處理。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)核在并行執(zhí)行時(shí)，必須有一個(gè)能夠接收到的中斷分發(fā)給能夠提供服務(wù)的核的機(jī)制。16APIC通過中斷命令寄存器（ICR）來接收和發(fā)送IPI消息，ICR提供如下功

8、能：發(fā)送中斷到其他處理器核允許處理器核轉(zhuǎn)發(fā)收到的其不服務(wù)的中斷到其他處理器核來服務(wù)給處理器核自身發(fā)送中斷（一次自中斷）傳遞特殊IPI（核內(nèi)中斷）到其他處理器核，比如啟動(dòng)IPI消息IPI消息可以用來啟動(dòng)處理器核或者分配工作任務(wù)到不同的處理器核IPI消息能夠用來在系統(tǒng)時(shí)或者系統(tǒng)執(zhí)行的廣泛功能單元中分發(fā)中斷到不同的處理器核。17多核高級可編程中斷控制器 APIC18outline并行計(jì)算機(jī)訪存模型調(diào)度與中斷輸入輸出系統(tǒng)存儲管理與文件系統(tǒng)虛擬化技術(shù)平臺虛擬化資源虛擬化19多核下存儲管理相對變化較少，主要改進(jìn)：為了充分使用多核的運(yùn)算能力，很多庫函數(shù)都要做成非阻塞調(diào)用方式的，但這樣會導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突或不同步的

9、問題，所以必須保證數(shù)據(jù)同步機(jī)制。事務(wù)內(nèi)存管理機(jī)制：能夠協(xié)調(diào)程序，在并行運(yùn)行的同時(shí)，保證數(shù)據(jù)的同步。為了提供內(nèi)存分配的效率，可以使用多線程內(nèi)存分配，這樣可以提高效率，降低cache沖突，特別有利于空間核時(shí)間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的內(nèi)存操作。20outline并行計(jì)算機(jī)訪存模型調(diào)度與中斷輸入輸出系統(tǒng)存儲管理與文件系統(tǒng)虛擬化技術(shù)平臺虛擬化資源虛擬化21虛擬化技術(shù)：是指對計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行的抽象，是在系統(tǒng)、應(yīng)用或用戶與資源進(jìn)行交互時(shí)，對計(jì)算機(jī)資源的物理特性進(jìn)行隱藏的一種技術(shù)。分類： （1）平臺虛擬化：由指定硬件平臺上的宿主軟件來實(shí)行，為其他軟件提供一個(gè)模擬的計(jì)算機(jī)環(huán)境。其他軟件通常都是完整的操作系統(tǒng)，就像安裝在獨(dú)立的硬

10、件平臺上一樣運(yùn)行。 （2）資源虛擬化：它是被擴(kuò)展到具體系統(tǒng)資源的虛擬化，它涉及資源的合并、劃分以及簡化的模擬等作用。22平臺虛擬化：模擬模擬：虛擬機(jī)模擬完成的硬件，允許針對完全不同的CPU的未經(jīng)修改的操作系統(tǒng)直接運(yùn)行。模擬的實(shí)現(xiàn)需要廣泛的技術(shù)，從狀態(tài)機(jī)到全虛擬平臺的動(dòng)態(tài)編譯。這種方法長期以來被用來在新處理器可用之前對軟件進(jìn)行開發(fā)。Virtual PC、QEMU等 23平臺虛擬化原始虛擬和全虛擬虛擬機(jī)模擬足夠的硬件來保證未修改的為相同CPU設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。VMware、Win4BSD等部分虛擬虛擬機(jī)模擬多個(gè)但并非所有底層硬件環(huán)境，特別是地址空間這樣的環(huán)境支持資源共享和進(jìn)程獨(dú)立，但是不允許獨(dú)立的客體操作系統(tǒng)實(shí)例Windows、Linux等24平臺虛擬化類虛擬操作系統(tǒng)級虛擬應(yīng)用程序虛擬 25資源虛擬化針對平臺虛擬化到具體系統(tǒng)資源的虛擬