操作系统之哲学原理14----多核原理

多核体系结构

多核体系结构分4个演变阶段：

多处理器结构（主板上两个CPU）：

• 一个总线上挂多个处理器
• 根据处理器的角色分：对称多处理器结构（SMP）、非对称多处理器结构（AMP）

多线程结构（一核两线程）：

• 由于单处理器的性能没有得到全部发挥，让一个处理器同时执行多个线程。
• 在处理器上多加入一个逻辑处理单元指针。
• 共享：ALU、浮点运算单元、二级缓存、某些MSR
• 不共享：本地APIC、通用寄存器、一级缓存、
• 需要芯片和操作系统都支持：Windows XP、Linux 2.4以后都支持多线程处理器。

多核结构（四核、八核）：

• 一个CPU多套执行单元
• 不共享：ALU、FPU、二级缓存、本地APIC、BIOS。
• 共享：某些MSR、最后一级缓存
• 在处理器内部，两个核之间隔绝，通过处理器外部，北桥芯片的仲裁器负责任务分配和缓存协调。

多核超线程（四核八线程）：

• 结合多线程结构和多核结构

对于多核处理器，有一个核被设置为启动处理器（BSP），其它为应用处理器（AP）。在启动阶段，现有BSP进行启动工作，之后BSP通过中断唤醒各个AP进行初始化。

处理器间通信：

• CPU间通信需要通过中断进行，不然无法引起另一个CPU的响应。
• 每个CPU都有一个本地APIC（高级可编程中断控制器）来协调处理器间中断。
• 此外主板上还有IO APIC，负责处理来自外部的IO中断。多有CPU共享IO APIC。

多核处理器，每个核都有独立的缓存，为了确保同一内存地址在多个缓存里内容相同，需要处理缓存一致性问题。微软使用MESI模型处理缓存一致性问题。

多核环境下对操作系统的修正

进程的同步

原子性变成跨越CPU的原子性，即一个CPU执行时，另一个CPU不执行某段程序。

软件同步原语仍然必须基于硬件原子操作的支持。

硬件原子操作

前面章节说过，单核情况下，硬件提供的原子操作有三种：

• 中断启用与禁止
• 加载存入指令
• 测试与设置

这三种里，中断在多核环境下无法保证原子。其它两种还可以用。

此外还有一种总线锁原子操作，就是将总线锁住，只有持有该锁的CPU才能使用总线。

还有一种同步原语：xchg指令。

软件同步原语

在硬件原子操作之上，操作系统提供程序使用的软件同步原语。

例如：

• 互斥锁
• 执行体
• 旋锁：CPU互斥机制，不是线程互斥机制。拥有旋锁的CPU上的所有线程都可以访问该旋锁保护的数据结构，其它CPU上的线程无法访问被保护的数据结构。

进程调度

除了单核进程调度涉及的各种问题以外，还需要多个核之间的负载平衡问题。

每个CPU都有自己的就绪队列。

主动负载平衡：队列里面进程数多的CPU将某些进程推出去。

被动负载平衡：队列为空的CPU从别的CPU队列里面将进程拉出来。

钉子进程：必须在特定CPU上执行的进程。钉住的原因：

• 非对称多处理器体系结构，各个核功能不同
• 某个进程的许多信息已经在某个CPU的缓存中。
• 一个进程的多个线程尽量分配到一个CPU上，因为这些线程共享的许多资源都在这个CPU上。

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最后

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