论文题目: 面向科学计算的操作系统核心研究
论文类型: 硕士论文
论文专业: 计算机系统结构
作者: 陈曜
导师: 孙凝晖
关键词: 科学计算,操作系统,优化,内存管理,超级页面,噪声
文献来源: 中国科学院研究生院（计算技术研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 超级计算机应用的性能很大程度上受到硬件、系统软件、算法和应用软件的影响,针对各类具体应用进行合理的系统软件优化与定制可以提高性能。科学计算是当前超级计算机系统的一个重要应用方向。科学计算类应用的主要特点是数据量大,计算时间长,系统负荷重。本文针对科学计算应用的特点,讨论了操作系统对科学计算性能的影响,主要包括内存管理和进程调度策略,以及操作系统可能引入的噪声。在讨论结果的基础上,本文分析了针对科学计算应用的几种基于操作系统的可能的优化方法,并在Linux操作系统中进行了尝试。本文提出并且实现了一种在用户空间为应用程序分配超级页面的方法,作为Linux操作系统中内存管理策略的补充。该策略利用Linux系统支持的内核模块,以重定向系统调用的方式为应用程序直接分配以超级页面为单位的物理内存。程序员能够自行选择是否应用超级页面,或同时使用传统页面和超级页面。本文对超级页面内存分配方法进行了不同角度的性能测试评价,结果表明该方法在并行计算应用中对节点间通信性能和内存虚实地址转换性能均有提高。本文对Linpack测试程序进行了基于Myrinet网络的节点间通信状况统计分析,包括通信所占用时间和通信数据包在长度上的分布,以及不同的问题规模、数据分块大小对通信状况的影响,确定了Linpack测试程序在机群系统上的通信特点。应用上述两项工作,在曙光4000A超级计算机上使用超级页面进行了Linpack性能测试,与使用传统页面的测试结果对比,在1024个处理器的规模下,运算效率提升了4%。本文研究结果的主要贡献在于:1.将曙光4000A在2004年6月的世界超级计算机Top 500排行榜上的排名提升到了第10名,提高了两个位置;2.使Myrinet网络的通信带宽在包长8MB时产生了17.5%的增幅。
论文目录:
摘 要
Abstract
第一章 引言
1.1 科学计算的特点
1.2 提升科学计算性能的途径
1.3 操作系统对科学计算性能的影响
1.4 本文工作概述
第二章 曙光4000A 超级计算机简介
2.1 曙光4000A 的背景及基本性能指标
2.2 硬件结构
2.2.1 基本体系结构和硬件构成
2.2.2 Opteron 处理器
2.3 操作系统及应用环境
2.4 通信子系统
2.4.1 Myrinet 高速通信网络
2.4.2 BCL4 底层通信软件
2.5 本章小结
第三章 科学计算性能与系统软件
3.1 内存管理策略
3.1.1 优化页面安置与交换策略
3.1.2 利用超级页面提高性能
3.1.3 内存性能优化方案
3.2 进程调度策略
3.3 降低系统噪声
3.3.1 噪声的来源和影响
3.3.2 降低Linux 系统中的噪声尝试
3.4 其它因素的影响
3.5 本章小结
第四章 一种Linux 内存管理优化方法的实现
4.1 超级页面的概念
4.2 Intel i386 和AMD x86-64 架构硬件对超级页面的支持
4.3 在Linux 下实现用户空间中的超级页面
4.3.1 为应用程序分配超级页面
4.3.2 超级页面的回收与周转
4.4 超级页面对节点间通信的意义
4.5 本章小结
第五章 性能测试与评价
5.1 单一内存访问性能测试
5.1.1 测试方法说明
5.1.2 测试结果与分析
5.2 Myrinet 网络通信性能测试
5.3 并行Linpack 性能测试
5.3.1 Linpack 测试程序简介
5.3.2 HPL 程序的通信开销分析
5.3.3 曙光4000A 机群上的HPL 测试
5.4 本章小结
第六章 结论和未来工作
6.1 全文总结
6.2 对下一步工作的展望
参考文献
致 谢
作者简历
发布时间: 2006-12-27
参考文献
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