2013.03-多核操作系统-梁荣晓-多核操作系统发展综述

Time

2020.11.13

Summary

Research Objective

多核操作系统

Problem Statement

1. 多核处理器发展，操作系统发展滞后。
2. 传统多核操作系统难以适应多核处理器的发展趋势
   2.1 传统操作系统往往通过锁来保护共享数据，随着 CPU 核数的增加，进入内核的线程也会随之增加，对锁的竞争将更为激烈，影响系统的整体性能。
   2.2 核数增加时，传统多核操作系统一般通过创建更细粒度的锁来增加内核的并发性，而调整锁粒度是一项异常复杂的工作。
3. 限制可扩展性的根本因素——锁与共享内存

Method(s)

利用分布式设计思想，采用分布式优化处理传统多核操作系统的结构和功能，将多核硬件划分为不同子系统，降低各子系统之间的耦合度，提高多核操作系统可扩展性。

1. 改进传统宏内核架构
2. 基于功能分布思想，不同的核划分为不同的功能
3. 设计数据分布式多核操作系统
4. Corey操作系统
   在Linux基础上修改操作系统接口实现的，设计目标是针对当前主流的Cache一致性 SMP 多核处理器。
   设计思想是：应用程序控制数据的共享（通过应用程序对内核间共享资源的控制， 减少多核之间不必要的资源传递与更新，以达到更高效利用多内核的目的）
   Corey在Linux中增加了3个新接口：

• 地址范围，允许应用程序编程时决定私有地址与共享地址的范围；
• 核心，允许应用程序制定特定的核心执行；
• 共享对象，允许应用程序决定哪个对象对其它核心可见。

5. 功能分布式多核操作系统
   不同核心（Core）所使用的内核（Kernel）可以是宏内核或微内核
6. FOS
   一种面向多核与云计算的操作系统，对待提供单一系统映像（SSI,Single System Image），具有良好的兼容性以及可扩展性。
   设计原则：

• 空间复用取代时间复用，在命名空间中进行调度，调度的资源是多个核；
• 操作系统分界成特定的服务，各服务分布在各服务器中，彼此通过消息传递进行通信；
• 错误自动检测与处理
  

Evaluation

Conclusion

Notes

1. 传统多核操作系统采用宏内核（Macro Kernel）又称大内核（Monolithic Kernel）架构，其中以Linux和Windows为代表

Words

1. Core 核心（指的是硬件层面的CPU）
2. Kernel内核 （指的是软件层面的操作系统）

Terminology

1. 宏内核
   解释1：使用单一数据结构，内核本身提供大多数系统服务，此架构的特性是整个内核程序是一个单一二进制可执行文件，在内核态以监管者模式（Supervisor Mode）来运行。
   解释2：宏内核被视作为运行在单一地址空间的单一的进程，内核提供的所有服务，都以特权模式，在这个大型的内核地址空间中运作，这个地址空间被称为内核态（kernel space）。它通常是以单一静态二进制文件的方式被存储在磁盘，或是缓冲存储器上，在引导之后被加载存储器中的内核态，开始运作。
2. 对称多处理器（SMP）
   在SMP中所有的处理器都是对等的, 它们通过总线连接共享同一块物理内存，这也就导致了系统中所有资源(CPU、内存、I/O等)都是共享的，当我们打开服务器的背板盖，如果发现有多个cpu的槽位，但是却连接到同一个内存插槽的位置，那一般就是SMP架构的服务器。
3. 非均匀访问存储模型（NUMA Non-uniform memory access）
   非统一内存访问架构（英语：Non-uniform memory access，简称NUMA）是一种为多处理器的电脑设计的内存架构，内存访问时间取决于内存相对于处理器的位置。在NUMA下，处理器访问它自己的本地内存的速度比非本地内存（内存位于另一个处理器，或者是处理器之间共享的内存）快一些。
4. 异构多核处理器
   由一个或者多个主核以及其他从核组成

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