多核操作系统发展综述

多核处理器的核心迅速增长以及结构日益复杂,给未来操作系统的设计带来了很大的挑战。为适应多核处理器的发展,可以利用分布式设计思想,从结构和功能上对传统多核操作系统进行分布式处理优化,将多核硬件划分为不同的子系统,尽可能降低各子系统之间的耦合度,从而提高多核操作系统的可扩展性。本文概括当前多核操作系统研究的三种技术路线,力求宏观展现多核操作系统的发展趋势。     

多核对分区操作系统影响研究

分区操作系统是综合化航空电子领域中的核心技术。随着单核性能极限的到来,处理器结构向着多核发展。将两者结合起来,在多核分区操作系统的基础上研究分析多核处理器结构为分区操作系统带来的影响。经分析实验数据得出多核处理器结构在多核处理器中共享Cache结构和内核中临界资源并发访问两方面对分区操作系统产生影响。     

基于源码分析的多核操作系统研究与人才培养实践

多核已成为处理器的主流,在传统的操作系统教学中引入操作系统如何支持多核的内容十分必要。本文从多核操作系统启动流程分析和多核操作系统调度两方面介绍基于源码分析的研究方法,借助现有的文献资料,学生不仅加深了对操作系统抽象概念的理解,也可以优化和修改内核。该方法目标准确,避免了盲目性。实践经验表明,经过几个月的高强度训练,学生的能力提升明显。     

支持多核架构的微内核操作系统设计

针对多核架构开始在嵌入式领域普及的趋势,设计一个基于多核处理器架构的微内核操作系统,描述系统中内存管理、线程调度、锁和中断、线程间通信以及应用程序等各部分的设计方案。该设计充分利用多核架构和微内核操作系统的特点,不仅应用于与Intel公司合作的L4微内核操作系统研究项目,也为其他微内核操作系统设计提供了参考。     

以负载均衡和数据缓存为例谈操作系统启发式教学

针对在传统操作系统教学中存在灌输知识的状况和计算机多处理器并发带来的影响,从多核环境下的简单问题出发,在分析操作系统多核环境下进程调度的基础上,提出如何完美实现负载均衡机制。通过增加Cache数量和容量增加数据命中率,提升系统性能,结合学生学习新课程知识的实际,以启发式案例教学的方式系统分析操作系统在多核环境下的进程调度问题,使学生从一个简单问题入手逐渐掌握较深入的知识。     

一种分区操作系统固化映像启动配置策略

符合ARINC653标准的分区操作系统被广泛使用在航空电子系统中,分区操作系统的资源都需要提前通过静态配置表配置好,设计了一种适合分区操作系统固化映像启动配置策略,同时结合多核硬件的使用场景分析了多核下固化映像的启动考虑要点,从而能够满足符合标准的分区操作系统在多核平台下的启动配置策略.     

哲学家就餐问题研究与模拟

如今良好的交互性、并行性、同步性早已是大多数计算机操作系统不可或缺的功能,无论是基于单核还是多核计算机,倘若没有以上几个性能,则毫无疑问是糟糕的操作系统。哲学家就餐问题是操作系统研究领域中一个著名而有趣的问题,是从计算机实现伪同步并行功能研究中演化而来的经典进程间通讯问题,对研究同步性有很大的帮助和启发。该文探究了哲学家问题的原理,并使用C语言对其进行了模拟。     

事务体系结构的操作系统支持

随着多核芯片的广泛应用,开发线程级并行变得至关重要。事务可以使编程者通过非常简单的多线程编程模型来实现并行,事务存储(TM)可以简单地实现事务执行的原子性和独立性。本文介绍了目前的主流事务存储系统TCC、LogTM、PTM,分析了各自的系统结构和相应的操作系统支持,并在此基础之上揭示了事务存储系统的硬件设计和操作系统支持之间的关系,最终总结得到了TM发展的一些基本规律和特点。     

多核网络处理器iSCSI发起端研究与实现

针对已有的互联网小型计算机系统接口(iSCSI)发起端实现方式在面向多核网络处理器时存在的性能和扩展性不佳等问题,研究多核网络处理器的网络处理软件框架,提出基于多核网络处理器异构操作系统的网络处理软件框架。采用软件框架和P-SPL数据层面编程模型,给出一种iSCSI发起端实现方式。实验结果证明,相比基于Linux操作系统的iSCSI发起端实现,基于多核网络处理器异构操作系统的iSCSI发起端实现在吞吐率和响应时间上都有明显的性能提升。在6个千兆网口的测试环境中,读写吞吐率最高可达到180 MB/s,响应时间最多减少1.6 ms。     

一种支持多级存储架构的嵌入式多核操作系统模型

多核处理器已经成为主流,并且被广泛应用于嵌入式设备中.在操作系统如何有效支持多核处理器方面的研究中,目前国内外大多基于常见的紧耦合共享存储架构的多核处理器,而对一些特殊存储架构的多核处理器研究并不多.本文针对内存受限的多级存储架构的多核处理器,提出一种单代码多数据的嵌入式多核操作系统模型.实验表明,该模型应用在具有多级存储架构的八核DSP上,比AMP模型减少约80%的代码空间开销;与SMP模型相比,与实时性紧密相关的时间开销减少约10倍.     

非对称多核处理器上的操作系统集成调度

相对于对称多核处理器,非对称多核处理器具有更高的效能,将成为未来并行操作系统中的主流体系结构.对于非对称多核处理器上操作系统的并行任务调度问题,现有的研究假设所有核心频率恒定,缺乏理论分析,也没有考虑算法的效能和通用性.针对该问题,该文首先建立非线性规划模型,分析得出全面考虑并行任务同步特性、核心非对称性以及核心负载的调度原则.然后,基于调度原则提出一个集成调度算法,该算法通过集成线程调度和动态电压频率调整来提高效能,并通过参数调整机制实现了算法的通用性.提出的算法是第一个在非对称多核处理器上结合线程调度和动态电压频率调整的调度算法.实际平台上的实验表明:该算法可适用于多种环境,且效能比其他同类算法高24%～50%.     

通用OS内核的构件化是否合适

本文从OS研究的推动力——上层应用和底层硬件的角度,对过去OS的研完成果进行了详细的考察,并在该基础上得出结论：通用OS内核的结构不适合采用构件式。     

Asymmetry-aware load balancing for parallel applications in single-ISA multi-core systems

Contemporary operating systems for single-ISA (instruction set architecture) multi-core systems attempt to distribute tasks equally among all the CPUs. This approach works relatively well when there is no difference in CPU capability. However, there are cases in which CPU capability differs from one another. For instance, static capability asymmetry results from the advent of new asymmetric hardware, and dynamic capability asymmetry comes from the operating system (OS) outside noise caused from networking or I/O handling. These asymmetries can make it hard for the OS scheduler to evenly distribute the tasks, resulting in less efficient load balancing. In this paper, we propose a user-level load balancer for parallel applications, called the ’capability balancer’, which recognizes the difference of CPU capability and makes subtasks share the entire CPU capability fairly. The balancer can coexist with the existing kernel-level load balancer without detrimenting the behavior of the kernel balancer. The capability balancer can fairly distribute CPU capability to tasks with very little overhead. For real workloads like the NAS Parallel Benchmark (NPB), we have accomplished speedups of up to 9.8% and 8.5% in dynamic and static asymmetries, respectively. We have also experienced speedups of 13.3% for dynamic asymmetry and 24.1% for static asymmetry in a competitive environment. The impacts of our task selection policies, FIFO (first in, first out) and cache, were compared. The use of the cache policy led to a speedup of 5.3% in overall execution time and a decrease of 4.7% in the overall cache miss count, compared with the FIFO policy, which is used by default.     

基于Symbian OS的蓝牙网络聊天系统

本文从具备蓝牙功能的Symbian OS（Operate System）的智能手机出发，构建基于Symbian OS的蓝牙网络聊天系统。本文的主要内容为可分为一下几部分：（1）、Symbian OS对蓝牙的支持及提供的API。（2）、本系统的系统架构。（3）、系统的设计及实现。     

Towards an immortal operating system in virtual environments

Many OS crashes are caused by bugs in kernel extensions or device drivers while the OS itself may have been tested rigorously. To make an OS immortal we must resurrect the OS from these crashes. We present a novel OS-hypervisor infrastructure that allows automated and transparent OS crash diagnosis and recovery in a virtual environment. This infrastructure eliminates the need for reboots or checkpoint-restart mechanisms, which require preserving the states of critical applications before the crash happens and also require extensive modifications to those applications. At the core of our approach is a small hidden OS-repair-image that is dynamically created from the healthy running OS instance. When an OS crashes, the hypervisor dynamically loads this repair-image to perform diagnosis and repair. One way of repair we have experimented with, is to quarantine the offending process and resume the running of the fixed OS automatically without a reboot. Experimental evaluations demonstrated that it takes less than 3 s to recover from an OS crash. This approach can significantly reduce the downtime and maintenance costs in data centers, and is the first design and implementation of an OS-hypervisor combo capable of automatically resurrecting a crashed commercial server-OS. In addition to online diagnosis and recovery, this infrastructure can also be used for offline diagnosis and can be incorporated into the technical support tools of the OS vendor. Additionally, we have used parts of this infrastructure to speed-up the diagnosis of AIX OS-crashes for the IBM technical support teams.     

常用嵌入式实时操作系统比较分析

以与实时系统开发过程密切相关的实时性、故障容错和标准兼容性等关键特征为基础,提出一套对嵌入式实时操作系统性能衡量的标准,涵盖体系结构、硬件支持、调度管理、内存管理、进程间通讯、定时性能、网络支持、文件系统、驱动编程以及开发调试等关键特证。并利用该标准对常用嵌入式实时操作系统进行了详细地分析与对比,为系统研发过程中嵌入式实时操作系统的选择提供指南。     

WINDOWS系统高精度定时方法研究

比较全面研究了WINDOWS平台下几种高精度的定时函数的机制,根据其特点定义了分辨率、精度、稳定性的概念于更清晰地描述其特点;设计了相关的C代码,在几种主流的硬件及操作系统下进行实际的测试,得出各种定时方式的验测试结果,并对各种方法的应用给出了建议。     

基于OS20的机顶盒软件体系及其应用设计

介绍了ST半导体公司的OS20实时嵌入式操作系统的基本特性。通过DVB-T数字电视机顶盒研发项目的应用设计,分析了机顶盒软件研发的主要问题和软件架构的实现,包括系统的状态机设计、搜台算法的实现、以EPG为主的SI解码系统的设计实现和优化,从各个方面讲述了OS20实时操作系统在机顶盒设计中的应用实践。     

安全操作系统安全属性即时撤消研究

多安全政策支持机制和新的国际信息安全评价标准－CC（common criteria)标准都要求安全操作系统提供完善的安全属性即时撤消机制，但是目前的研究都不够完善，在分析安全操作系统中的安全属性即时 撤消问题的基础上，建立安全属性即时撤消框架，并且设计“基于操作表的in-progress操作撤消机制”较好地解决了inprogress操作撤消问题，最后描述了框架在RS－Linux 安全操作系统中的实施。