CN103164278A - 一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多核实时系统的实时动态内存管理器，具体的说是一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法。采用页面着色技术将物理内存与多核处理器的共享Cache划分为4个区域：独占区、共享区、通信区与非实时区；为独占区与共享区分别建立空闲页面管理系统；利用多种同步机制封装通信区，实现基于Cache的任务间高速通信；将非实时区交由宿主操作系统进行管理。本发明通过将内存与共享Cache划分为多个独立区域，使得高优先级的硬实时任务不会受到其它任务通过Cache的干扰。从而提高了系统的实时性和稳定性。在此基础上，实现了一种基于Cache的任务间高速通信机制，进一步提高了系统的实时性。

Description

一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法

技术领域

本发明涉及一种用于多核实时系统的实时动态内存管理器，具体的说是一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法。

背景技术

随着实时系统的高速发展，单颗处理器芯片已无法满足实时系统对计算带宽的需求。成本低、计算能力强的多核处理器必将在高端实时系统中得到广泛应用。但是多核处理器的特殊结构会制约系统的实时性。这对实时系统的设计，特别是实时操作系统的设计提出了新挑战。多核处理器中存在多个核心共享的硬件资源，如共享Cache与前端总线等。并发任务会通过这些共享资源相互干扰，降低彼此的实时性。当实时任务的时限约束被违反时，可能会降低系统性能，甚至威胁到系统的安全。同时，多数实时系统具有混合任务集，同时包含实时任务和非实时任务。当实时任务与非实时任务并发执行时，非实时任务可能会通过处理器中的共享资源干扰实时任务的执行，导致实时任务丢失时限。因此，在将多核处理器应用到实时系统中时，必须解决共享资源对实时性的制约问题。

通过硬件或软件的方法，可以实现共享Cache划分。为实时性高的访存密集型任务分配一个独立的Cache区域。使得并发的低优先级任务不会换出该任务在Cache中的数据。现有的通用处理器基本不支持基于硬件的Cache划分。因此，在广泛使用通用处理器的开放式数控系统中只能选用基于软件的划分方法。不过，在常用的实时操作系统中，尚未出现具有Cache划分功能的实时内存管理器。

发明内容

为了克服多核实时系统中，并发任务通过共享Cache相互干扰，以降低系统实时性的问题，本发明实现了一种针对多核实时系统的实时动态内存管理器。通过将内存与共享Cache划分为多个独立区域，使得高优先级的硬实时任务不会受到其它任务通过Cache的干扰。从而提高了系统的实时性和稳定性。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法，包括以下步骤：

步骤1：采用页面着色技术将物理内存与多核处理器的共享Cache划分为4个区域：独占区、共享区、通信区与非实时区；

步骤2：为独占区与共享区分别建立空闲页面管理系统，所述空闲页面管理系统包括空闲空间管理方法与空闲空间分配方法；

步骤3：利用多种同步机制封装通信区，实现基于Cache的任务间高速通信；

步骤4：将非实时区交由宿主操作系统进行管理。

所述独占区空闲页面管理方法为：每个需要独立Cache区域的硬实时任务均设置若干个空闲空间队列；队列的数量等于该硬实时任务拥有的页面颜色的数量；队列i中的元素是大小为i个页面的空闲内存空间；空闲空间尾部的32字节为指向队列中下个空闲空间的指针。

所述独占区空闲页面分配方法为：根据请求的页面数与是否要求物理上连续，在该任务的空闲队列中，为该任务选取空闲页面；如果申请n个页面并且要求物理地址连续，则在队列n中为该任务分配相应的空闲空间；如果队列n中没有空闲页面，则在大于编号大于n的队列中为该任务分配，并将剩余的页面插入到合适的队列中；如果不要求物理地址连续，则从编号最低的队列开始，为该任务分配n个页面，并完成地址映射。

所述共享区空闲页面管理方法为：共享区中每种颜色的空闲页面均有各自的空闲空间队列，队列中的元素为该颜色的空闲页面；每个空闲页面的尾部32字节指向队列中下个空闲页面。

所述共享区空闲页面分配方法为：对每种颜色的空闲队列均进行使用计数，记录使用该颜色页面的任务数；分配空闲页面时，从计数最小的任务队列开始分配，并完成相应的地址映射。

所述基于Cache的任务间高速通信机制为：在内存与Cache中设置独立区域用于任务间通信，采用多种同步方法对该区域进行封装。

本发明具有以下优点：

1.本发明实现了一种针对多核实时系统的实时动态内存管理器。通过将内存与共享Cache划分为多个独立区域，使得高优先级的硬实时任务不会受到其它任务通过Cache的干扰，从而提高了系统的实时性和稳定性。

2.在此基础上，实现了一种基于Cache的任务间高速通信机制，进一步提高了系统的实时性。

附图说明

图1为计算机物理地址与Cache地址之间的对应关系的示意图；

图2为基于页面着色技术的地址映射的示意图；

图3为RTMM中的内存区域划分的示意图；

图4为独占区中的空闲页面的示意图；

图5为共享区中的空闲页面的示意图；

图6为共享区内存分配方法的示意图；

图7为实时动态内存管理器的结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的基本内容为：建立基于页面着色技术的实时动态内存管理模型、建立独立区内存管理方法、建立共享区内存管理方法、建立基于Cache的任务间高速通信机制。

利用页面着色技术，通过设计实时动态内存管理器及相关算法，实现了多核数控系统中共享Cache的划分。

1页面着色技术

页面着色是一种通过控制物理页面的分配划分共享Cache的技术。在X86等通用处理器中，物理地址中的页表段与Cache地址中的Cache组号段具有重叠的位段。这就意味着某个Cache组所对应的物理页面集合是固定的。在PentiumE2200处理器上，4路组相联的共享L2Cache容量为1MB，访问L2Cache的有效地址为20位。在物理地址中，低12位为页内偏移，第12到第31位为页表段，用来索引页表。那么物理地址与Cache地址中的第12-19位就是重叠位段，我们将其称为可控位段。如图1所示。

利用8位可控位可以将物理页面划分为256个集合，同一集合中的页面会被映射到共享Cache中的同一区域。从而通过区分物理页面的方式，将共享Cache划分成了256个区域。我们为每个集合中的页面均指定一种颜色。那么每个独立的Cache区域均对应一种特定的颜色物理页面。Cache区域的最小粒度为1个页面，即4K大小。如图2所示，通过为任务分配特定颜色的物理页面，就可以将该任务使用的Cache范围限制在特定的区域中。

2实时动态内存管理器RTMM的结构

基于页面着色技术，本文在实时操作系统RTAI(Real-time ApplicationInterface)[]中实现了实时动态内存管理器RTMM。RTAI是一种基于Linux的开源实时操作系统，能够提供良好的硬实时保证与丰富的系统功能。动态内存管理是实时操作系统的一项重要功能，它在确定的时间内为任务动态分配所需的物理内存空间，并完成地址映射。为了避免空闲空间不足的现象，RTMM为实时任务预留了一部分内存空间，并且对这部分空间进行有效管理，以减少内存碎片，充分利用物理内存空间。

在RTMM中，物理内存被划分为2个部分：供Linux使用的非实时区域与为实时任务预留的实时区域。相应的，共享Cache也被划分为实时区域和非实时区域。RTMM主要管理实时区域的内存空间，非实时区域的内存空间仍由Linux管理。RTMM在Linux初始化内存时便预留出实时区域对应的页面，Linux将不再识别这些物理页面的存在。

如图3所示，RTMM进一步将实时内存区域划分为三个子区域。分别为：独占区、通信区和共享区。独占区为那些需要独立Cache区域的硬实时任务预留。共享区由不需要独立Cache区域的软实时任务使用。通信区则用以实现基于Cache的任务间高速通信。三个区域分别具有各自的内存管理方式。

3独占区的内存管理

如图2所示，相同颜色的页面在物理上不连续。但是数控系统中的硬实时任务通常需要操作总线控制卡、PLC控制卡等硬件单元。这些硬件单元的DMA(Direct MemoryAccess，直接内存存取)操作需要连续的物理地址空间[ULK]。当硬实时任务需要的连续地址空间超过一个页面时，必须为其分配多种颜色的物理页面。RTMM根据硬实时任务请求的内存空间以及所需连续地址空间的大小，在独占区中为其分配合适的颜色数。这些颜色的物理页面仅供该任务使用。一个硬实时任务可以拥有多种颜色的页面，但某种颜色的页面只能属于一个硬实时任务。

RTMM采用类似于伙伴系统的方法管理各个任务的空闲物理页面。假设某个实时任务拥有的颜色数为Nc，那么该区域中最大连续页面的数量便为Nc。按照空闲区域的大小，将它们分别保存在Nc个队列中。队列n的结点是大小为n个页面的连续空闲空间。如图4所示，任务T1拥有3种颜色的物理页面。那么T1所拥有的空闲内存空间便被组织在3个队列中。队列1保存大小为1个页面的空闲空间，队列3保存大小为3个页面的空闲物理空间。在每个空闲区域的最后一个页面中，尾部的4个字节用来保存指向下一个空闲区域的指针。初始状态下，所有空闲区域都链在编号最高的队列，即队列Nc中。任务Ti请求内存空间时，首先通过公式(1)获取所需的页面数：

公式(1)中，M为任务所需内存空间的大小，4K为页面大小。当pfn小于Nc时，如果编号为pfn的队列不空，便从该队列中获取一个空闲结点，将其分配给Ti。如果该队列为空，便在编号大于pfn的队列中获取一个空闲结点，取出页面数为pfn的区域分配给Ti，并将剩下的连续页面插入到合适的队列。如果编号为pfn以及所有编号大于pfn的队列均为空，就在不空的队列中取下pfn个不连续页面，并通过地址映射将它们映射到连续的虚拟地址空间中。此时，需通过返回值知会任务Ti，这次分配的空间在物理上是不连续的。当pfn大于Nc时，便无法获得pfn个连续物理页面，只能为Ti分配若干个不连续的区域，并将它们映射到连续的虚拟地址空间。

图4为系统运行时，独占区空闲页面的组织结构。独占区中共有4个任务与7种颜色的页面。任务T1拥有3种颜色，T2拥有2种颜色，T3与T4分别只拥有1种颜色。T1的空闲内存分别存放在3个队列中，最多能够申请到大小为3个页面的连续内存区域。通过这种类似于伙伴系统的空闲页面管理方式，可以方便、高效地为硬实时任务分配连续的物理内存空间。

4共享区的内存管理

由于共享Cache容量有限，不可能为数控系统中的每个任务均分配一个独立的Cache区域。因此，可以将实时性需求不太强的软实时任务放置在同一个Cache区域中，仅需避免其它种类的任务对它们的干扰即可。RTMM的共享区是供软实时任务使用的内存区域，它将软实时任务在Cache中的数据限制在一个独立的区域中，防止了访存密集的非实时任务通过共享Cache对它们的干扰。

对共享Cache的访问冲突除了会影响任务的实时性以外，还会降低系统的吞吐量。虽然共享区中的实时任务优先级较低，但也需要减少访问冲突，提高系统的吞吐量。因此，在为共享区中的任务分配内存时，尽量降低多个任务使用同一种颜色的页面的概率。针对上述目的，RTMM在共享区中采用了与独占区不同的空闲页面管理方法。在共享区中，每种颜色的空闲页面均有独立的空闲队列。RTMM为每个空闲队列都设置了一个标志，用以记录这种颜色的页面目前正在被多少个任务使用。在分配内存时，选择一个任务数最小的队列，尽量将任务均分在不同颜色的队列上。

假设系统中共有7个任务，8种颜色的64个页面。每种颜色各有8个页面。图5反映了系统运行过程中，某个状态下的共享区空闲页面的组织结构。图6反映了共享区中，各个任务所占的内存区域。这种分配方法最小化了共享区中，各个任务与其它任务的颜色重合度。

5通信区的内存管理

共享缓存是任务间通信的基本形式之一。如图1所示，数控系统的各个实时任务之间均使用共享缓存相互通信。数控系统中的共享缓存并不需要占用很大的内存空间与Cache区域，但它却是任务工作集的重要组成部分。各个实时任务在执行期间都会频繁读写这些内存区域。

RTMM的通信区专用于映射共享缓存，为各个共享缓冲分配独立的页面颜色与Cache区域。任务对其它内存区域的访问不会置换通信区在共享Cache中的内容。这在很大程度上减少了实时任务访问内存的次数。不仅提高了任务访问共享缓存的速度，还增强了任务执行时间的可预测性。

为了提高共享缓存的易用性，本文利用FIFO，邮箱等同步方法对共享缓存进行封装，实现了多种基于Cache的任务间通信方法。

以上所述的实时动态内存管理器的结构如图7所示。

Claims (6)

1.一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用页面着色技术将物理内存与多核处理器的共享Cache划分为4个区域：独占区、共享区、通信区与非实时区；

步骤2：为独占区与共享区分别建立空闲页面管理系统，所述空闲页面管理系统包括空闲空间管理方法与空闲空间分配方法；

步骤3：利用多种同步机制封装通信区，实现基于Cache的任务间高速通信；

步骤4：将非实时区交由宿主操作系统进行管理。

2.根据权利要求1所述的一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法，其特征在于，所述独占区空闲页面管理方法为：每个需要独立Cache区域的硬实时任务均设置若干个空闲空间队列；队列的数量等于该硬实时任务拥有的页面颜色的数量；队列i中的元素是大小为i个页面的空闲内存空间；空闲空间尾部的32字节为指向队列中下个空闲空间的指针。

3.根据权利要求1所述的一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法，其特征在于，所述独占区空闲页面分配方法为：根据请求的页面数与是否要求物理上连续，在该任务的空闲队列中，为该任务选取空闲页面；如果申请n个页面并且要求物理地址连续，则在队列n中为该任务分配相应的空闲空间；如果队列n中没有空闲页面，则在大于编号大于n的队列中为该任务分配，并将剩余的页面插入到合适的队列中；如果不要求物理地址连续，则从编号最低的队列开始，为该任务分配n个页面，并完成地址映射。

4.根据权利要求1所述的一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法，其特征在于，所述共享区空闲页面管理方法为：共享区中每种颜色的空闲页面均有各自的空闲空间队列，队列中的元素为该颜色的空闲页面；每个空闲页面的尾部32字节指向队列中下个空闲页面。

5.根据权利要求1所述的一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法，其特征在于，所述共享区空闲页面分配方法为：对每种颜色的空闲队列均进行使用计数，记录使用该颜色页面的任务数；分配空闲页面时，从计数最小的任务队列开始分配，并完成相应的地址映射。

6.根据权利要求1所述的一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法，其特征在于，所述基于Cache的任务间高速通信机制为：在内存与Cache中设置独立区域用于任务间通信，采用多种同步方法对该区域进行封装。

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