CN101540787A - 片上分布式操作系统通讯模块的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上分布式操作系统通讯模块的实现方法，是未来几年片上网络处理系架构中面向操作系统设计中的基石通讯模块。本发明就是建立片上网络操作系统的前提基础之一，拥有全局的节点分发管理单元、聚合具有簇拥性的任务、他们之间的通讯地址可以直接从本地缓存中获取、并且具有最简单的通讯接口是本发明的显著特征。

Description

片上分布式操作系统通讯模块的实现方法

技术领域

本发明涉及计算机体系结构中的处理节点实现方法，特别是未来几年片上网络处理系架构中面向操作系统设计中的基石通讯模块。

背景技术

近几年来计算机科学与技术的发展成果，已经呈现在个人手头的桌面电脑以及各种各样的数码产品上。从体系架构的角度看，他们的共同特征是性能越来越强大，功耗越来越小，这也是最符合人们对此的需求的。

无论在学术界还是工业界，计算机体系结构的研究，已经从单纯提高一个处理节点心的性能转变到一个晶片上集成多个处理模块上，谓之多核。在体系结构发展中，多核成为趋势与主流，得益于硅工艺的进步与硅材质的本身缺陷：前者使单位面积上能集成的晶体管数量越来越多(摩尔伪定律)，后者使得处理节点的频率提升受到限制(光速上限，布线延迟相对于门电路越来越长)。这样直接导致的后果便是单核频率提升有限和晶体管数量不能充分利用，加上功耗的控制，多核便应运而生。

为了满足日益增长的高密集型、高吞吐量型应用程序的需求，探索比传统共享总线更好的片内通讯方式成为人们思考的问题。各种功能部件(处理器、内存以及外围I/O控制器等)在片上网络上通过发包的形式来进行通讯的方式叫做片上网络。在通讯、多媒体和消费电子等方面，片上系统(SoC)通过整合各种功能部件到单一芯片上，能够满足体型和功耗等苛刻的需求。然而这样基于共享总线的SoC系统具有设计复杂，功能难以设计正确以及各个模块难以复用的严重缺点。所以NoC技术首先应用到SOC系统的研究中。

NoC正是为了克服传统共享总线架构的问题而提出来的，因而比基于总线有不可比拟的优点。下面是主要的，不是全部。

1、NoC具有很好的可扩展性，并具有比总线更好的并发性。所有的功能模块通过网络接口(Network Interface)统一连接到基于路由(router)的网络上。路由具有转发包的能力，并且，通过路由，全局连线变成有几段短线连接而成，保证了信号不被扭曲。这样从理论上讲可以扩展至成千上万个节点。所有路由间的连线可以并发进行数据的发送与接收，提高了并发性。

2、模块高度可复用化。如上所述，各个功能模块通过NI互联，这样便有了统一的接口。电子产品更新换代，而网络基本上保持不变，因而模块得到复用化。这样给设计人员减少了重复设计的工作量，降低了成本，也加速了产品上市时间。

3、全局信号控制变得简单(包括时钟)。各个功能模块是相对独立的，没有全局或基本没有全局的协调机制，使全局信号扭曲降到最低。同时各个功能模块可以采用自己的时钟，系统变就成了分布式的，使不必即时监视其他模块的状态。

由于NoC的研究处于起步阶段，目前还没有商业的系统出现，但前景是可观的。可以遇见不久的将来，NoC的模型会越来越清晰。未来的几个问题包括各组成部件将会被标准化来增加模块的复用性，但是性能却会有损耗，因此需要反复权衡；片上系统的模拟系统也未确定，性能评价标准的benchmark需要重新设计；功耗是现有芯片设计的重要指标，在NoC设计中也不会例外。

在传统共享总线架构中，各个功能部件直接连接在总线上，因此从物理上看完全处于对称的位置。逻辑上的不同也仅限于请求总线服务的优先级不同。这样一来，传统的架构设计中不存在各个部件之间的拓扑问题。

而在NoC的系统中，各个功能部件(也称节点)连接在一个网络上，也因此引入了一个与传统网络中的类似的一个网络互联拓扑问题。一般来说，由于路由的分布性和能力的有限性，各个节点在网络中的位置并不是完全对称的，只能是部分对称。

NoC给计算机体系结构的发展指定了一条路，然而目前并没有真正的通用操作系统的支持。本发明就是基于此，为建立操作系统做一个先前的基础设施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算机体系架构中下一代处理节点(NoC)针对其操作系统设计中提供一种通讯基础设施的设计方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

1)拥有全局的节点管理器：

管理器负责处理节点是全局的，拥有最高的权限，负责节点的分发与回收，同时节点管理器具有树形分层的的管理功能，以防止成为性能瓶颈；

2)聚合簇拥性任务：

由于任务的簇拥性，任意两个节点之间构成了一个任务的硬件资源的通讯需求，把这些相关的节点建立成一个簇拥网，构成了一个临时的、具有显著通讯差异的虚拟子网络；在该虚拟子网络中，有着更多的通讯近亲关系，把相关任务分配在这样的虚拟子网络中；

3)每个节点中拥有本地地址映射表：

本地地址映射表是逻辑地址与物理地址的对应关系。节点与节点之间的通讯需要获得通讯的物理地址，物理地址直接在本节点通过临时地址映射表查询获得，当找不到时则需要查询全局的节点管理器，并获得地址的临时缓冲，并存入临时地址映射表。

4)每个节点中拥有独立的通讯接口，通讯方式简化：

通讯方式存在于本地的每个节点的存储，通讯方式分为可阻塞型与不可阻塞型。通讯方式及其精简，操作系统的其他模块利用基本的通讯服务完成系统任务。

本发明与背景技术相结合，具有的有益的效果是：

本发明的目的在于提供一种计算机体系架构中下一代处理节点(NoC)针对其操作系统设计中提供一种通讯基础设施的设计方法。基于此通讯设施，便能在NoC这个硬件上构建操作系统，实现真正的片上网络操作系统。其有点是：

(1)独立性、可靠性和高效性。本方法通过于片上网络的通讯需求的满足，设计中与其他因素相对独立，各个子块之间异步工作，极大地增加了片上网络的可靠性。各个功能模块通过NI互联，这样便有了统一的接口。全局信号控制变得简单(包括时钟)。各个功能模块是相对独立的，没有全局或基本没有全局的协调机制，使全局信号扭曲降到最低。同时各个功能模块可以采用自己的时钟，系统变就成了分布式的，使不必即时监视其他模块的状态。各个节点的通讯相对平衡，没有特别拥挤的中心点，处于分布状态，因而是高效的。

(2)良好的可扩展性，更好的并发性。所有的功能模块通过网络接口(Network Interface)统一连接到基于路由(router)的网络上。路由具有转发包的能力，并且，通过路由，全局连线变成有几段短线连接而成，保证了信号不被扭曲。这样从理论上讲可以扩展至成千上万个节点。所有路由间的连线可以并发进行数据的发送与接收，提高了并发性。各个外围通道的通讯需求在逻辑上被划分成了几个虚拟子网络，各个子网络之间的“干扰”达到最小。

(3)通讯模块十分小，与硬件紧密集合。这些模块是构建系统服务模块的必要也是仅需要的公共服务设施。因此通讯模块的简单符合了此设施的简单而高效的特性，是符合未来片上网络分布式操作系统的需求的。

附图说明

图1是本发明的一个节点的结构示意图。

图2是完后一个通讯的结构流程图。

具体实施方式

本发明提供一种计算机体系架构中下一代处理节点针对其操作系统设计中提供一种通讯基础设施的实现方法。

下面结合图1、图2说明其具体实施过程。片上分布式操作系统通讯模块的实现方法，是在片上网络上构建操作系统的基石，其特征在于：

1)全局的节点管理器

本设计方法是面向未来计算机体系结构中基于片上网络结构的计算处理节点的设计，拥有一个优雅的全局节点管理器，该管理器负责处理节点的分发与回收。如果该片上网络的规模足够大，节点管理器便拥有树形分层的概念。

节点管理器负责核资源的分配，同时负责逻辑地址和实际地址的映射表。现有的很多关于如何映射任务到实际的物理核的研究，都在这一层得到应用。例如如何把相似的节点分配在一个临近的区域，形成一个利于通讯的网络。

全局节点管理器的首要任务就是在相关节点中建立逻辑地址与实际物理地址的映射表，并负责其的更新与老化。

当节点数量足够多的时候，节点管理器便形成树状的结构进行管理，上层的节点管理器负责节点的分配，下一层的节点管理器负责地址映射表的维护。

2)聚合簇拥特性任务

片上网络存在着n个节点，各个节点之间通过基本统一的路由相连。由于任务的簇拥性，任意两个节点之间构成了一个任务的硬件资源的通讯需求。在该网络中，相比与其他节点，有着更多的通讯近亲关系，因此基于此也是高效的。这些相关的节点便形成一个簇拥网。

凡是簇拥网内的每个节点，都有临时的、及时更新的逻辑地址与实际地址的映射表。也就是说在簇拥网内的每个节点都有相互的地址存在。这些地址映射表都是为通讯作的服务，相关节点便形成一个虚拟子网络。

3)每个节点中拥有本地地址映射表

在一个簇拥的节点群中，内部具有相对大量的通讯需求，另外各个群之间也存在着少量的通讯需求。群内通讯地址表可直接在本节点获得，群之间通讯则需要查询全局的节点管理器，并获得地址的临时缓存，如图1所示。一般的任务之间的通讯，都应该属于同一个簇拥的节点群中，他们之间可以直接通讯。因此是高效的。

如果遇到非簇拥的节点群中的节点之间的通讯，则要查询全局节点管理器，获取逻辑地址与实际物理地址的映射，并临时存储在本地节点的缓存中，以被下一次使用，提高效率。

4)每个节点中拥有独立的通讯接口，通讯方式简化

通讯方式存在于本地的每个节点的存储，通讯方式分为可阻塞型与不可阻塞型。通讯方式及其精简，操作系统的其他模块利用基本的通讯服务完成系统任务。

通讯方式都是本地节点的功能，他可以根据物理节点的位置直接与目标节点进行通讯。通讯方式分为可阻塞型与不可阻塞型。可阻塞型亦即通讯必定到达目标，并得到验证。不可阻塞型则是发一次消息，而不管其是否真正的到达。这些通讯方式的使用取决与系统模块的调用。

下面以一个文件请求为例，结合图2说明整个通讯过程。

(1)一个节点的程序请求发送信息给文件管理器模块要求文件服务。

(2)通过临时地址映射表找到文件管理模块所在的实际节点位置。如果不能在本地缓存中找到，则需要查询全局节点管理器。这些操作对程序员是透明的，程序员关心的是逻辑节点之间的通讯。

(3)发送信息给目标物理节点。如果是阻塞型，则等待目标节点的回复。

(4)返回给本节点程序，通讯完成。

Claims (1)

1、一种片上分布式操作系统通讯模块的实现方法，其特征在于：

1)拥有全局的节点管理器：

管理器负责处理节点是全局的，拥有最高的权限，负责节点的分发与回收，同时节点管理器具有树形分层的的管理功能，以防止成为性能瓶颈；

2)聚合簇拥性任务：

由于任务的簇拥性，任意两个节点之间构成了一个任务的硬件资源的通讯需求，把这些相关的节点建立成一个簇拥网，构成了一个临时的、具有显著通讯差异的虚拟子网络；在该虚拟子网络中，有着更多的通讯近亲关系，把相关任务分配在这样的虚拟子网络中；

3)每个节点中拥有本地地址映射表：

本地地址映射表是逻辑地址与物理地址的对应关系。节点与节点之间的通讯需要获得通讯的物理地址，物理地址直接在本节点通过临时地址映射表查询获得，当找不到时则需要查询全局的节点管理器，并获得地址的临时缓冲，并存入临时地址映射表。

4)每个节点中拥有独立的通讯接口，通讯方式简化：

通讯方式存在于本地的每个节点的存储，通讯方式分为可阻塞型与不可阻塞型。通讯方式及其精简，操作系统的其他模块利用基本的通讯服务完成系统任务。

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