论文研究-多核操作系统发展综述.pdf
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收稿日期： ２０１１唱０３唱１４； 修回日期： ２０１１唱０４唱２９
作者简介：李彦冬（１９８４唱） ， 男， 重庆人， 硕士研究生， 主要研究方向为实时嵌入式系统、操作系统（ ｌｉｙａｎｄｏｎｇ１２０４＠１６３．ｃｏｍ） ；雷 航（１９６０唱） ，
男， 教授， 博导，主要研究方向为实时软件工程和软件可靠性工程．
多 核 操 作 系 统 发 展 综 述
李彦冬， 雷 航
（电子科技大学 计算机科学与工程学院， 成都 ６１１７３１）
摘 要： 对多核操作系统的发展状况进行了综述，指出了多核操作系统的发展滞后于多核技术发展的现状，介
绍了多核操作系统的起源和国内外研究状况，分析了多核操作系统研究中面临的一些主要问题及已有的研究成
果。 最后，对多核操作系统的一些研究方法进行了总结。
关键词： 多核操作系统； 操作系统模型； 任务调度； 存储器管理； 内核同步
中图分类号： ＴＰ３１６ 文献标志码： Ａ 文章编号： １００１唱３６９５（２０１１）０９唱３２１５唱０５
ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１唱３６９５．２０１１．０９．００４
Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉ唱ｃｏｒｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩ Ｙａｎ唱ｄｏｎｇ， ＬＥＩ Ｈａｎｇ
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１１７３１， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｒｖｅｙｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｕｌｔｉ唱ｃｏｒｅ ＯＳ．Ｆｉｇｕｒｅｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｔｒｕｔｈ ｔｈａｔ ｍｕｌｔｉ唱ｃｏｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌａｃｋｅｄ ｓｕｐ唱
ｐｏｒｔ ｆｒｏｍ ＯＳ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ唱ｃｏｒｅ ＯＳ ｂｏｔｈ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ唱ｃｏｒｅ
ＯＳ．Ｄｒｅｗ ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ唱ｃｏｒｅ ＯＳ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｕｌｔｉ唱ｃｏｒｅ ＯＳ； ＯＳ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ； ｔａｓｋ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ； ｍｅｍｏｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ； ｋｅｒｎｅｌ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ
０ 引言
操作系统构建于硬件设备之上，目的在于最大限度发挥硬
件的工作性能，同时也受限于硬件设备的工作能力和方式。 所
以操作系统的发展，首先是来源于硬件的发展，而硬件中的核
心就是处理器。 提高处理器的性能从根本上来说有两种办法：
通过改进制造工艺来提高 ＣＰＵ 的主频；提高指令的执行效率，
即提高 ＩＰＣ（ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｐｅｒ ｃｙｃｌｅ）。
ａ）从提高主频的角度来看，高主频会带来巨大的功耗问
题。 以 ＮｅｔＢｕｒｓｔ 架构 的处 理器为 例， 当运 行主 频 达 到 最高
３．８ ＧＨｚ 的情况下，发热功耗会达到 １１５ Ｗ。 很显然，要解决
高主频带来的功耗问题并不是一件容易的事情。 与此同时，制
造工艺在提高 ＣＰＵ 主频的过程中也会引入严重的漏电流问
题，漏电流问题是制约 ＣＰＵ 主频提高的最重要因素。 文献［１］
较为详细地描述了 ＣＰＵ 制造工艺、漏电流和 ＣＰＵ 主频之间的
制约关系。
ｂ）从提高指令执行效率的角度来看，指令流水线、超长指
令字、超标量结构、超线程技术等都在提高指令执行效率上起
到了一定的作用，但是均受限于单核处理器的执行能力，并不
能从根本上显著提升 ＣＰＵ 和系统的整体性能。
对于单 核 处 理器在 性 能 提 升 中 遇 到 的 瓶 颈， 近 年 来，
ＡＭＤ、ＩＢＭ、Ｉｎｔｅｌ、ＳＵＮ 等公司纷纷推出了自己的多核处理器或
多核架构设计
［２］
。 多核处理器的出现，使处理器的主频大幅
度降低，同时也提升了指令执行效率，普遍认为多核处理器将
会是今后处理器发展的方向。 但是与处理器发展不相适应的
是，基于多核处理器之上的操作系统和软件对于多核的支持并
不完美。
微软 Ｗｉｎｄｏｗｓ 核心操作系统部门内核设计师 Ｄａｖｅ Ｐｒｏｂｅｒｔ
提到了关于多核技术发展的一些问题。 芯片厂商在生产多核
处理器时一厢情愿地认为软件开发者将为多核处理器开发软
件，问题是目前的桌面系统软件不能有效地利用多核处理器，
因为开发者需要利用并行编程技术才能充分利用多核处理器
的处理能力。 除专业的科学计算软件外，并行软件并不普及，
而且并行编程技术也相对难以掌握。 一种更好的方法是重新
考虑操作系统管理多核处理器的方式，“ 问题不在于并行编
程，而在于操作系统如何管理处理器” ，微软正在开发针对多
核处理器的全新一代多核操作系统。
从目前来看，多核操作系统滞后于多核处理器的发展，而多
核技术作为一个系统，其中的“短板”将严重制约计算机整体性
能的提升。 可以说，多核操作系统技术的突破，将会带来从嵌入
式领域到桌面计算机、服务器等所有计算机系统的性能的一个
整体性提高，因此对于多核操作系统的研究意义非常重大。
１ 多核操作系统的研究进程
１畅１ 国外研究进程
虽然多核是近年来才出现的新概念，涵义是指在一个芯片
上，集成了多个 ＣＰＵ 的内核以达到多内核协同工作，提高处理
器性能的目的。 但是从操作系统的角度来说，早在 ２０ 世纪 ７０
年代出现的多处理器操作系统可以说是多核操作系统的前身。
因此，多核操作系统的思想最早可以追溯到 １９７４ 年由卡内基
梅隆大学提出的 ＨＹＤＲＡ 操作系统
［３］
。 ＨＹＤＲＡ 内核是最早针
对多处理器系统设计的操作系统之一，并且能在 Ｃ．ｍｍｐ 硬件
上运行。 ＨＹＤＲＡ 内核把“对象”的概念引入操作系统中，
将物
第 ２８ 卷第 ９ 期
２０１１ 年 ９ 月
计 算 机 应 用 研 究
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ
Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．９
Ｓｅｐ．２０１１
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