多核多线程虚拟化中断系统的研究与实现

论文摘要

中断系统是现代计算机系统的一个极为重要的组成部分,故障处理、实时控制、软件调试以及处理器与外部设备的通讯都需要依靠中断系统来完成。随着计算机系统软硬件结构的发展,中断的概念在不断扩大,处理器对中断系统的功能需求也在不断的发生变化。特别是当处理器进入了多核多线程和虚拟化时代后,为了获取处理器性能的提升,中断系统的设计必须根据处理器体系结构的发展进行不断的改进。本课题主要研究多核多线程虚拟化的中断系统,其目的是在X处理器上设计实现支持多核架构、多线程共享并具备虚拟化特性的中断处理系统。课题的研究内容作为国家重大项目“高性能X处理器”的一部分,研究成果直接应用于工程实践。本文研究了多核多线程架构下虚拟化中断系统的基本理论,讨论和总结了多核多线程虚拟化中断系统的设计要求和可行的解决方法。在上述研究的基础上,文章提出了适用于多核多线程X处理器的虚拟化中断软件接口和中断模型,设计并实现了X处理器中断系统:利用特殊的浮点异常预测机制来解决多核多线程架构下的精确中断问题;利用指令流同步设计来减少硬件开销、降低部件互连的复杂度。之后文章给出了X处理器中断处理部件验证方案,对设计进行了模拟验证和逻辑综合。实验结果显示,X处理器中断处理部件设计的功能正确、性能符合X处理器的设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 微处理器体系结构的发展
• 1.1.2 虚拟化技术的发展与处理器的虚拟化设计
• 1.2 课题研究的关键问题
• 1.2.1 多核多线程处理器中断系统的设计
• 1.2.2 中断系统的硬件辅助虚拟化设计
• 1.3 课题背景与主要工作
• 1.4 本文的结构
• 第二章 多核多线程中断系统及其虚拟化
• 2.1 中断和中断系统
• 2.1.1 中断的基本功能
• 2.1.2 中断的分类
• 2.1.3 中断处理的一般过程
• 2.2 多核多线程处理器中断系统的设计
• 2.2.1 精确中断的实现
• 2.2.2 吞吐量计算的支持
• 2.2.3 外部中断机制的实现
• 2.3 中断系统的虚拟化设计
• 2.3.1 执行模式的虚拟化
• 2.3.2 中断接口的虚拟化
• 2.3.3 外部中断的虚拟化
• 2.4 本章小节
• 第三章 多核多线程X 处理器虚拟化中断系统模型
• 3.1 X 处理器中断系统模型
• 3.1.1 处理器的运行模式
• 3.1.2 中断模型
• 3.2 X 处理器中断系统的软件接口
• 3.2.1 中断等级
• 3.2.2 中断类型和中断优先级
• 3.2.3 中断向量表
• 3.3 X 处理器的中断处理机制
• 3.3.1 中断与处理器运行模式的切换
• 3.3.2 中断处理流程
• 3.3.3 中断处理的控制
• 3.3.4 外部中断的处理
• 3.4 本章小结
• 第四章 X 处理器中断部件的设计与实现
• 4.1 设计目标
• 4.2 总体结构
• 4.3 模块设计与实现
• 4.3.1 中断处理单元的设计与实现
• 4.3.2 外部中断接口单元的设计与实现
• 4.3.3 其它功能单元的设计与实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 X 处理器中断部件的测试与验证
• 5.1 模拟验证
• 5.1.1 验证方法和验证方案
• 5.1.2 各层次的模拟验证
• 5.2 逻辑综合
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果