嵌入式Linux在多核多线程平台上的移植研究与实现

论文摘要

随着网络技术的不断发展,新的网络业务不断涌现,多元化的服务与高带宽的传输已成为网络应用的主流。在这样的背景下,网络设备中传统的处理器越来越力不从心,难以满足用户需求。多核多线程处理器的出现为解决这一难题提供了方案,但它所带来的硬件体系结构的变化对软件来说是不透明的,因此以往的软件必须加以改进、扩展才能支持这种处理器。在网络设备的软件系统中,嵌入式操作系统是最重要的一个组成部分,它不仅管理着所有的软硬件资源,还为上层服务的实现提供支持。因此在构建基于多核多线程处理器的网络设备的软件系统时,首要的任务是实现一个支持多核多线程处理器的嵌入式操作系统。本文以网络设备的软件系统开发为背景,深入研究了嵌入式操作系统对多核多线程处理器的支持手段。文章首先结合多核多线程处理器XLR732的硬件特点,分析了多核多线程体系结构对操作系统的影响,讨论了嵌入式操作系统在多核设备上的工作模式。然后通过对Linux内核的扩展与改造,实现了其对XLR732处理器的支持。支持多核多线程处理器的嵌入式操作系统实现的关键技术包括:多核多线程处理器的启动、任务间的同步手段、中断与异常处理机制、任务调度策略以及核间通信手段等,文章结合Linux内核的特点以及XLR732的硬件机制给出了这些关键技术的具体实现。最后分析了内核镜像文件的加载过程,并展示了系统的启动画面,以此证明了文中方案的可行性。本文着眼于多核网络设备中嵌入式操作系统的开发,提出的移植方案具有成本低,可行性高及便于扩充等优点,为多核网络设备软件平台的开发提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 本文组织结构
• 2 多核多线程处理器概述
• 2.1 多核多线程处理器的发展
• 2.2 多核多线程处理器的关键技术
• 2.3 多核多线程处理器的优势
• 2.4 基于MIPS 核的XLR732 处理器
• 2.4.1 MIPS 体系结构
• 2.4.2 XLR732 对MIPS 的扩展
• 2.5 本章小结
• 3 嵌入式操作系统的多核多线程架构分析
• 3.1 硬件多线程对操作系统内核的影响
• 3.1.1 软件线程到硬件线程的映射
• 3.1.2 硬件线程的调度策略
• 3.1.3 线程优先级问题
• 3.1.4 中断响应的问题
• 3.2 数据一致性问题
• 3.3 多核平台上操作系统的工作模式
• 3.4 嵌入式操作系统在网络设备软件平台中的位置
• 3.5 内核的设计目标
• 3.6 本章小结
• 4 Linux 在 XLR732 平台上的移植实现
• 4.1 多核引导过程
• 4.1.1 Linux 对多核系统的引导分析
• 4.1.2 XLR732 的启动实现
• 4.2 同步机制
• 4.2.1 同步问题的解决思路
• 4.2.2 同步机制在内核中的实现
• 4.3 中断与异常处理
• 4.3.1 处理器对中断与异常的支持手段
• 4.3.2 内核对中断与异常的实现
• 4.3.3 中断的处理过程
• 4.3.4 NMI 的处理
• 4.4 任务调度策略
• 4.4.1 任务调度的前提
• 4.4.2 任务调度的数据结构
• 4.4.3 调度策略的实现
• 4.5 核间通信方案
• 4.5.1 核间中断与共享存储方案
• 4.5.2 基于快速消息网络FMN 的方案
• 4.5.3 基于软件消息队列的方案
• 4.5.4 为不同的通信内容选择合适的通信方案
• 4.6 本章小结
• 5 系统的加载与启动
• 5.1 内核镜像文件的加载
• 5.2 系统的启动展示
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录