支持动态任务调度的多核分布式操作系统设计

论文摘要

多核系统资源分布的全局复杂性给资源管理和利用带来困难,利用多核操作系统管理全局资源能有效提高系统资源利用率,因此对多核操作系统进行研究具有重要意义。本文使用非均衡模式设计多核分布式操作系统,需要解决节点间通信和系统资源利用的问题。为解决通信问题,本文移植了实验室已有的兼容于MPI的消息库,节点间通信通过应用层、消息层和硬件抽象层中的功能模块完成。本文工作的主要目标是为用户透明使用多核系统资源提供支持,为此实现了运行时调度功能,以及基于运行时调度结果的并行应用执行。主控节点实现了资源统计和运行时调度功能。统计模块建立多个接收进程实现资源信息的收集,通过使用共享内存创建资源池以实现全局资源信息存储。在此基础上采用动态任务调度技术,在程序执行时进行任务调度和分派,以当前可用系统资源信息为依据,将并行任务分配到运算节点上执行,从而有效提高系统资源利用效率以及应用加速比。此外,为保证可扩展性,统计模块在读入网络配置文件后将自动建立统计环境,实时地为动态任务调度提供与运算节点通信所需的映射文件。运算节点提供了扩展层功能,通过接收主控节点发送的配置信息,运算节点只统计所需信息项。通过在系统初始化时设置映射信息,资源统计任务和加载任务能够在不同网络规模下与主控节点完成通信从而保证系统的可扩展性。为支持运行时调度,运算节点接收主控节点以消息的形式传递的调度映射结果,使用分页机制为并行任务分配存储调度信息的私有空间,并通过参数传递将调度结果等信息传递给并行任务,从而保证各并行任务正确执行当前功能。主控节点和运算节点协作完成并行应用的调度、分发、任务建立和执行,实现了运行时调度和执行并行应用的功能,为有效利用系统资源提供了支持。最后,在多核仿真平台上,通过执行并行应用对分布式多核操作系统进行了验证,验证结果表明该多核操作系统能够正确地执行基于MMPI的并行应用程序;测试了一个并行应用执行过程中调度、分发、任务建立和执行各阶段的开销,评估了应用规模和网络规模对调度结果与各阶段执行开销的影响,为系统及算法优化指出了方向。本文开发的多核操作系统可以用于嵌入式多核系统资源管理,评估调度算法的执行开销和调度结果等,具有较高的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多核操作系统研究
• 1.2.2 动态调度研究
• 1.3 课题主要研究内容
• 1.3.1 主控节点操作系统研究
• 1.3.2 运算节点操作系统研究
• 1.3.3 运行时任务调度
• 1.4 论文结构
• 第2章 系统总体设计结构
• 2.1 多核硬件系统
• 2.2 多核操作系统设计模式
• 2.2.1 裸核模式
• 2.2.2 均衡模式
• 2.2.3 非均衡模式
• 2.3 非均衡模式下系统结构
• 2.3.1 主控节点和运算节点
• 2.3.2 系统运行过程
• 2.3.3 并行应用执行过程
• 2.4 本章小结
• 第3章 主控节点操作系统
• 3.1 主控节点操作系统概述
• 3.2 资源统计模块
• 3.2.1 资源池建立
• 3.2.2 资源信息统计
• 3.2.3 映射文件生成
• 3.3 并行调度模块
• 3.3.1 通信域的分配
• 3.3.2 运行时调度
• 3.3.3 动态调度算法
• 3.4 本章小结
• 第4章 运算节点操作系统
• 4.1 运算节点操作系统概述
• 4.2 uC/OS移植
• 4.2.1 任务建立与切换
• 4.2.2 中断处理
• NI驱动开发'>4.2.3 DMA_NI驱动开发
• 4.2.4 内存管理
• 4.3 系统扩展层
• 4.3.1 资源统计
• 4.3.2 MMPI任务加载
• 4.3.3 虚拟内存的分页机制
• 4.3.4 并行编程
• 4.4 本章小结
• 第5章 功能验证与测试
• 5.1 仿真平台设置
• 5.2 操作系统基本属性
• 5.3 功能验证
• 5.3.1 实验设计
• 5.3.2 验证结果
• 5.4 性能测试
• 5.4.1 uC/OS下MMPI通信性能
• 5.4.2 应用规模和网络规模对各阶段开销影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢