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2022-07-13
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运“芯”帷幄 —CMP 的操作系统技术
单芯片多处理器( CMP),特别是在一个芯片上集成了多个相同通用处理器的单芯片对称多
处理器(同构 CMP)的发展,是上世纪 90 年代以来集成电路制造工艺的进步与微处理器体
系结构的发展所带来的必然发展方向。
和目前在服务器领域广泛采用的对称多处理器 (Symmetric Multi-Processor, SMP )结构类似,
在 CMP 系统中,位于同一个芯片内部所有处理器内核以平等的身份参与任务调度和中断处
理,共享内存和外部设备,而且也可以共享片内的 (部分或全部)高速缓存。
CMP 的结构相对简单,可以直接使用现有的处理器内核,因此开发周期与成本相对较低,
结构简单带来的另一个好处是更易获得高的主频。由于多个处理器集成在 一块芯片上,且
共享 cache,微处理器之间的通信延迟会明显降低, 有利于提高系统的整体性能。 因此,CMP
具有良好的发展前景和广泛的应用空间, 众多著名大学、 科研机构和商业公司都展开了广泛
而积极的研究。
而要想真正发挥 CMP 的优势,软件,特别是操作系统和编译工具等系统软件的支持至关重
要,没有这些软件, CMP 将处于 “空转 ”状态。因此,每一个 CMP 系统都需要为其量身打造
的系统软件。
CMP 对操作系统提出的挑战
系统软件对于 CMP 广泛、深入的应用有重要的意义,这里我们讨论操作系统。操作系统是
计算机系统的基本系统软件, 在整个计算机系统中处于核心地位, 负责控制、 管理计算机的
所有软件、硬件资源,是惟一直接和硬件系统打交道的软件,是整个软件系统的基础部分,
同时还为计算机用户提供良好的界面。
对于普通用户而言, 操作系统是一个资源管理者, 通过它提供的系统命令和界面操作等工具,
以某种易于理解的方式完成系统管理功能, 有效地控制各种硬件资源, 组织自己的数据, 完
成自己的工作并和其他人共享资源。
对于程序员来讲, 操作系统提供了一个与计算机硬件等价的扩展或虚拟的计算平台。 操作系
统提供给程序员的工具除了系统命令、界面操作之外,还有系统调用,系 统调用抽象了许
多硬件细节, 程序可以以某种统一的方式进行数据处理, 程序员可以避开许多具体的硬件细
节,提高程序开发效率,改善程序移植特性。
并行是计算机科学与技术的重要分支之一, 其核心思想是通过任务的合理划分和分配, 使得
多个处理器可以同时执行一个或多个任务,以达到系统整体计算能力的大幅度提升。 CMP
的意义在于能够提供任务并行执行的一个新思路, 支持在一个芯片内的多个处理器内核之间
任务的划分和分配(也就是调度) ,而任务的调度则需 要操作系统来完成。
CMP 的发展对操作系统提出了新的挑战。首先,如何合理组织、调度任务才能最大程度地
发挥 CMP 结构的性能?其次,如何保持操作系统的外部接口的相对稳定?对于一般用户而
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