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异构多核处理器的微内核操作系统通信机制的研究与设计

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异构多核处理器的微内核操作系统通信机制的研究与设计

作者：潘燕萍桂林理工大学

学位级别：硕士

微内核操作系统因其灵活性高、可移植性强的特点得到人们广泛关注。由于微内核操作系统内核结构的高度模块化,各模块之间相互联系是通过进程间通信IPC(Inter-Process Communication)来实现的。同时,微内核操作系统应用于多核处理器上俨... 详细信息

微内核操作系统因其灵活性高、可移植性强的特点得到人们广泛关注。由于微内核操作系统内核结构的高度模块化,各模块之间相互联系是通过进程间通信IPC(Inter-Process Communication)来实现的。同时,微内核操作系统应用于多核处理器上俨然成为了一种趋势,然而,目前存在的基于异构多核处理器的微内核操作系统性能并不高,而通信机制是影响其性能的关键因素。因此,设计一个适用于异构多核处理器的微内核操作系统通信机制至关重要。本文通过对进程间通信与异构多核处理器的核间通信进行研究与分析,着重研究核内与核间两个方面的通信机制的优化。本文主要的研究工作如下:(1)通过分析当前进程间通信方式的优缺点,对于核内通信,本文设计了基于消息分类的通信策略。该策略利用寄存器在消息传递中无需访存,速度快,以及利用共享内存能够减少通信过程中数据的二次拷贝的优点,由代理线程判断消息是重量级消息还是轻量级消息,轻量级消息交由寄存器进行通信,而重量级消息则通过基于共享内存的地址映射方式进行通信。通过对消息进行分类,处理器中的资源能够得到合理分配,进程间通信效率也得到提高。(2)异构多核处理器的应用加强了处理器的并行能力,然而针对异构多核处理器的微内核操作系统核间通信机制的效率还有待提升。对于核间通信,本文研究设计了针对任务分类的通信策略。该策略通过设置一个通信管理内核,目的是掌控与协助核间通信,通过将任务分为I/O任务与计算任务,并且依靠代理线程与消息邮箱两种方式共同完成。同时,针对异构多核通信机制,设计了一种任务映射算法,该算法采用分支定界策略缩小搜索范围,并随机互换任务的位置来提升映射质量,以此来优化异构多核通信机制中通信带宽的使用效率。最后,本文通过MPI(Message Passing Interface)搭建异构多核模拟实验环境,将改进的μC/OS-II操作系统移植到Visual Studio 2010中并进行相关修改,通过C语言实现通信机制,利用测试程序验证本文提出的通信机制的通信代价,并在相同的条件下与消息邮箱通信机制的通信代价做比较。结果表明,本文设计的通信机制运行效率高于消息邮箱机制,提高了异构多核环境下微内核操作系统的性能,证明了本文设计的通信机制的有效性。

关键词：异构多核处理器微内核操作系统通信机制任务映射算法

基于异构多核环境下微内核操作系统通信机制的研究

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基于异构多核环境下微内核操作系统通信机制的研究

作者：冯丽桂林理工大学

学位级别：硕士

随着智能硬件逐渐进入大众的视野,使得嵌入式设备的开发愈来愈繁杂。使用广泛的单核处理器以及同构多核处理器的处理性能已经很难达到应用需求。为了减弱开发难度提升计算机处理能力,处理器生产商将异构多核处理器纳入智能设备的主要研... 详细信息

随着智能硬件逐渐进入大众的视野,使得嵌入式设备的开发愈来愈繁杂。使用广泛的单核处理器以及同构多核处理器的处理性能已经很难达到应用需求。为了减弱开发难度提升计算机处理能力,处理器生产商将异构多核处理器纳入智能设备的主要研究方向。其中,异构多核架构中核间通信技术成为计算机体系结构中关注的研究热点,主要包括进程间通信以及核间通信。本文基于异构多核处理器,研究不同结构和功能的多个核心之间进行高效率通信,以此达到处理器性能最优化。本文的主要研究工作如下:（1）针对核内进程间传递消息的字节大小的不同降低通信效率的问题,设计了一种基于消息类型界定策略的核内进程间通信机制。该机制利用通用寄存器（General Register,GR）和共享内存地址映射（Shared memory address mapping,SMAM）的消息传递方法的优缺点互补的方式提出一种消息类型界定策略,该策略设定了一种最大传输单元（Maximum Transmission Unit,MTU）值,如果进程之间传递的消息超过MTU值,则通信方式为共享内存的地址映射,反之,则采用通用寄存器的方式进行通信。有效地缩短了消息传递的时间,提高进程间消息传输速率。（2）针对不同结构内核之间的任务无法高效跨核通信以及发挥各核协作优势,以此提升多核之间通信效率的问题,对现有多核通信架构进行改进以此满足异构多核之间的通信,并设计一种基于LS-SVM的异构多核任务映射算法。本文异构多核通信机制设计实现理念采用主从式结构方案,在该方案中设立一个通信管理主内核和一个控制主内核,通信管理主内核主要负责处理应用程序中控制密集型任务与辅助从核通信,在每个从内核中添加一个代理线程,负责将位于不同内核的消息传递给通信管理主内核以及核间共享内存,实现相互协作完成异构核之间的高效通信。控制主内核主要负责将大量的应用程序中的计算密集型任务从系统内存中搬运到各个从内核的本地存储中,完成数据搬运类通信。为了提供系统通信性能和吞吐率,本文采用最小支持向量机通过训练后划分任务类型得出预测计算通信比率PCC,并与任务实际计算通信率CC比较,如果PCC＞CC,则说明此任务为I/O密集型任务,反之,为计算密集型任务。考虑不同任务类型有不同通信和计算需求,将两种任务类型采用不同的方式合理的映射在内核上。（3）采用MPICH2搭建异构多核模拟仿真平台,在PC端将μC/OS-II相关文件移植到Visual Studio 2017并进行相应删改。采用C语言编写实现通信机制利用测试程序得出的通信耗时和传输速率,并在相同的运行环境下与消息邮箱、消息队列通信机制的耗时和速率做比较。实验测试结果显示,本文设计的异构多核通信机制在通信耗时、传输速率方面都优于两个通信媒介,验证了本文所设计的通信机制具有有效性。

关键词：异构多核处理器微内核操作系统通信机制任务映射算法

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微内核操作系统Minix消息机制评测

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2007年第1期31卷 24-26页

作者：王智黄河武汉理工大学网络信息中心

以基于微内核设计并实现的Minix操作系统为例,针对基于微内核设计的现代操作系统中所特有的消息机制,分析其设计原理与实现方法,指出其在系统中的重要性.提出消息机制性能评测对象是一个完整的消息发送/接收过程的观点.给出了对Minix消... 详细信息

以基于微内核设计并实现的Minix操作系统为例,针对基于微内核设计的现代操作系统中所特有的消息机制,分析其设计原理与实现方法,指出其在系统中的重要性.提出消息机制性能评测对象是一个完整的消息发送/接收过程的观点.给出了对Minix消息性能评测的方法、源程序和评测结果,提出提高微内核操作系统消息性能的建议.

关键词：微内核操作系统消息机制 Minix 性能评测

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微内核操作系统（下）

电子科技导报 1996年第6期 16-19页

作者：胡祖宣华北计算技术研究所

微内核操作系统（下）胡祖宣（华北计算技术研究所）５各具特色的微内核操作系统ＩＢＭ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ、Ｎｏｖｅｌ／ＵＳＬ等计算机界巨头，都已开发出了具有自己特色的微内核操作系统，并都认为自己的方案是最好的，现将几种具... 详细信息

微内核操作系统（下）胡祖宣（华北计算技术研究所）５各具特色的微内核操作系统ＩＢＭ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ、Ｎｏｖｅｌ／ＵＳＬ等计算机界巨头，都已开发出了具有自己特色的微内核操作系统，并都认为自己的方案是最好的，现将几种具有代表性的系统简介如下。ＩＢＭ的Ｗ...

关键词：微内核操作系统操作系统并行处理

异构多核处理器微内核操作系统实验平台及评价体系研究

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异构多核处理器微内核操作系统实验平台及评价体系研究

作者：迟金秋桂林理工大学

学位级别：硕士

多核嵌入式操作系统实验平台的构建,可以方便准确的考察操作系统下新算法的效率和性能,对多核操作系统的研究具有重要意义。本文针对操作系统实验平台及其性能评价方式,改进已有的支持多核的模拟平台,建立操作系统性能评价体系,利用仿... 详细信息

多核嵌入式操作系统实验平台的构建,可以方便准确的考察操作系统下新算法的效率和性能,对多核操作系统的研究具有重要意义。本文针对操作系统实验平台及其性能评价方式,改进已有的支持多核的模拟平台,建立操作系统性能评价体系,利用仿真实验和评价模型相结合的方式,不断更正相关机制和算法。本文主要的工作内容如下:首先,针对异构多核处理器微内核操作系统实验平台的总体架构设计,本文以Simics为基础,将Simics平台当作数字建模平台模型,设计了一个面向异构多核处理器微内核操作系统的仿真实验平台CC-GLL。将Simics支持的处理器作为参考模型,通过把HLA适配器与Verilog PLI通过任务分类的核间通信机制连接起来,辅助HDL仿真器的调配,使得仿真平台可以模拟处理器运行的真实环境,还继承了仿真器错误检测的功能,使CC-GLL仿真实验平台变得更加可扩展和可移植;针对操作系统性能评价体系的设计,本文在现有专家评价法以及安全检查表法等评价模型的基础上构建适用于微内核嵌入式操作系统的评价模型,并设计了一套新的嵌入式操作系统性能评价体系。其次,针对异构多核处理器微内核操作系统实验平台总体架构中的核心模块设计,在仿真平台模型ICP仿真模块优化方面,为了解决粒子群算法在寻找最优结果的时候受参数设置的影响比较大的问题,本文对粒子群算法进行改进,优化后的算法提升了寻找最优结果以及调整测试性能的效率,加快了平台的仿真速率;在平台的内存机制设计方面,本文设计了一种基于mach的虚拟内存管理机制,这种内存管理机制在实现平台的内存合理高效的分配的时候是通过slab分配器来实现的,使仿真实验平台在运行过程中内存的分配和释放所消耗的时间更短;在进程间通信设计方面,本文设计了一种基于共享内存的通信策略,这种策略的基本原理是在内存的共享区域中把所有的寄存器进行表示,建立链表,能够方便的把各种数据信息读写到内存的共享区域当中,提高了通信速率;在进程/线程设计方面,本文提出一种双堆栈的设计模型,这种模型降低了地址空间在切换的过程中所产生的系统开销,加快了程序的运行效率,从而提高了CC-GLL仿真实验平台的性能。最后在相同测试环境下,将本文设计的测试效率程序置于μC/OS-II操作系统中,分别在本文搭建的CC-GLL仿真实验平台和Visual Studio 2010当中运行本文的测试程序,对平台的通信速率以及内存的分配和释放进行测试实验,最后对运行结果数据进行对比分析,证明了本文设计的CC-GLL仿真实验平台在运行过程中具有更高的效率。

关键词：异构多核处理器微内核操作系统 Simics 实验平台评价体系

异构多核处理器的微内核操作系统实时任务调度的研究

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异构多核处理器的微内核操作系统实时任务调度的研究

作者：谭超鹏桂林理工大学

学位级别：硕士

异构多核处理器是当前多核发展的主流方向,其实时调度问题成为计算机领域研究的热门课题。本文基于异构多核处理器的调度优化模型来改进调度算法进行实时任务调度研究,其实质是利用异构多核处理器的性能优势来解决异构处理器间的任务合... 详细信息

异构多核处理器是当前多核发展的主流方向,其实时调度问题成为计算机领域研究的热门课题。本文基于异构多核处理器的调度优化模型来改进调度算法进行实时任务调度研究,其实质是利用异构多核处理器的性能优势来解决异构处理器间的任务合理分配难题,进而提升微内核操作系统的系统性能。本文针对异构多核处理器微内核操作系统实时任务调度问题所做的主要工作有:(1)本文先根据异构多核系统模型,进行任务模型、多核处理器模型、调度模型、约束条件模型的建模设计,为算法的优化实现提供模型目标环境。为了更好解决异构多核处理器面对具有复杂依赖关系的实时任务难以调度的问题,在有向无环任务图模型(Directed Acyclic Graph,DAG)的基础上,通过任务复制与合并操作,设计了一种利用并行处理的任务树模型(Parallel Task Tree,PTT),其通过分析任务间依赖关系来定义优先级别,确定任务实时响应的需求等级,将任务调度到相应的核执行。该模型主要解决异构多核间的跨核任务通信开销较大的问题,将复杂依赖关系的任务分配转化为方便并行执行的任务树模型。(2)针对异构多核系统模型选用智能算法中拥有天然并行优势的蚁群算法(ant colony optimization,ACO),解决实时调度中的NP难问题,算法设计的步骤包括任务间的选择操作、任务和处理器映射关系、信息量的更新操作、交叉变异的考虑、公式的设计优化等等。其中为提高蚁群算法的搜索效率,发挥异构多核处理器的优势,需要进行适用于异构多核环境下的蚁群算法优化研究。本文中的蚁群算法利用混沌映射来进行混沌扰动,从而使基本蚁群算法跳出局部最优,设计出了改进后的混沌蚁群调度算法(chaotic ant swarm,CAS),改进后的算法能充分发挥其异构特性和并行能力。最后本文对DAG调度模型和PTT调度模型进行多线程下的比较和分析;对改进后的调度算法进行了准确性的验证,对平均运行时间、平均值比较分析;并结合所需调度处理的任务数量,给出了与其他算法在中细粒度规模下的处理结果比较。实验结果证明PTT模型和改进后的CAS算法适合异构多核环境下微内核操作系统的实时任务调度,能够得到更好的调度效果。

关键词：异构多核处理器微内核操作系统任务调度蚁群算法

基于UPPAAL的微内核操作系统程序验证方法研究

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电脑与信息技术 2014年第5期22卷 24-26,66页

作者：杨达中国电信晋中分公司山西晋中030600

随着航天、航空工业的发展,机载嵌入式软件的可信属性验证是新一代飞机研制最关注的软件质量保障问题。形式化方法具有严密的数学基础,能够准确的对系统进行建模、描述和验证,能够在软件系统的设计初期发现潜在的错误,是保证机载软件可... 详细信息

随着航天、航空工业的发展,机载嵌入式软件的可信属性验证是新一代飞机研制最关注的软件质量保障问题。形式化方法具有严密的数学基础,能够准确的对系统进行建模、描述和验证,能够在软件系统的设计初期发现潜在的错误,是保证机载软件可信性和安全性的软件正确性验证技术。形式化验证以形式化描述为基础,对所描述系统的特性进行分析和验证,以评判系统是否满足期望的性质,分为定理证明和模型检测两类。文章研究模型检测方法应用于程序形式化描述和验证的技术,提出基于模型检测的验证程序正确性的方案,并进行微内核操作系统程序分析,最后在UPPAAL中进行程序属性的验证。

关键词：微内核操作系统形式化方法模型检测

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微内核操作系统MINIX3．2发布

程序员 2012年第4期 8-8页

Linus和Tanenbaum关于微内核操作系统的论战是20世纪90年代最著名的互联网事件之一。虽然Tanenbaum始终认为微内核是更先进技术的代表，但我们目前能接触到的真正的微内核系统并不多，

关键词：微内核操作系统互联网核系统事件

基于微内核的POSIX-PSE51操作系统关键技术的研究与实现

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基于微内核的POSIX-PSE51操作系统关键技术的研究与实现

作者：黎悠扬电子科技大学

学位级别：硕士

日益复杂化的需求催生出了愈发庞杂的嵌入式系统,而为了保证系统的安全性、实时性、低功耗特性,并适用于一些资源受限的应用场景,微内核架构应运而生。在进行操作系统开发时,希望能够兼顾Linux开发习惯,以便于开发工作。又因为Linux符合... 详细信息

日益复杂化的需求催生出了愈发庞杂的嵌入式系统,而为了保证系统的安全性、实时性、低功耗特性,并适用于一些资源受限的应用场景,微内核架构应运而生。在进行操作系统开发时,希望能够兼顾Linux开发习惯,以便于开发工作。又因为Linux符合POSIX标准,故此微内核操作系统也需要符合POSIX标准。POSIX标准是一套为解决软件可移植性问题而设立的接口标准。主流操作系统:Linux和Unix都符合POSIX标准。POSIX标准又可分为POSIX.1和POSIX.13等,其中POSIX.1主要面向桌面和服务器,而POISX.13面向实时系统,因而微内核操作系统选择了POSIX.13规范。而针对嵌入式实时系统,POSIX-PSE51标准是POSIX标准的一个子集,同时也是最小的子集,它不需要多进程(线程),符合微内核中只有线程概念的情况,所以要实现POSIX-PSE51标准。本文对微内核技术和宏内核技术的优缺点进行了深入的研究和分析,并结合了mginkgo微内核操作系统的系统服务设计和具体情况,从POSIX-PSE51标准包含的内容开始进行分析,到对库函数的编译链接过程进行研究,再之后对库函数的性能优化进行研究与实现,以此完成符合POSIX-PSE51标准的微内核操作系统的主要工作,本文重点研究了以下三个部分,其主要内容包括:***标准中,针对团队自研的mginkgo微内核操作系统采用的库函数结构设计、库函数具体实现和优化措施,以及动态库重定位技术、信号处理技术,并对编译出的库的空间大小进行优化,提高程序的空间性能;2.缓冲区技术,对数据结构、方法实现,以及实现原理与流程进行了阐述,并且引入了预读技术与哈夫曼压缩技术来提高缓冲区的效率;3.安全相关技术,采用了“金丝雀”技术、边界值技术、校验和技术,并针对这三种技术进行了多安全技术融合,以此提高缓冲区的安全性、可靠性,同时引入了锁优化技术,在POSIX的基础上,引入了无锁队列、RCU机制、分段锁三种锁优化技术,来提高系统的安全性与并行性。最后,在ARM Cortex-A7 So C开发板上完成相关的功能测试、性能测试。通过对测试结果的研究与分析可以发现本论文设计并实现的微内核操作系统符合预期标准,实现了符合POSIX-PSE51标准的微内核操作系统这一需求,提高了微内核操作系统的兼容性和应用程序的可移植性。

关键词：微内核操作系统 POSIX标准 C库函数重定位技术信号处理技术