异构多核处理器的微内核嵌入式实时操作系统关键技术研究

Nowadays, Heterogeneous multi-core architecture is the major direction in the development of processor. Currently, it is playing an important role of Microkernel embedded systems in various areas. how to improve the system of real-time and system resource utilization and break through the bottleneck of heterogeneous multi-core parallel system, which become the key problem in the study of mbedded operating system. This project intends to study from the following points, 1)Study and establish the microkernel operating system architecture, which support the heterogeneous multi-core processors. 2)Utilizing the optimization model of priority-based preemptive task, with the global and local queues of mixed scheduling algorithms, to design an operating system task scheduling strategy which fits the architecture. 3)The issue of Memory management for heterogeneous multicore, using the principle of markov prediction, combining with clustering analysis method, which can research predictable allocated memory management mechanisms. 4)For the problems of heterogeneous multi-core communication, designing microkernel operating system communication mechanism of the thread proxy which based on the classification, which take advantage of address mapping of the Shared memory, and think over two points between inter-core communication and thread communication within core. 5)In view of the operating system experiment platform and its performance evaluation, existing support multi-core platform should be improved , operating system performance evaluation system should be established, and using a combination of simulation and evaluation model, thus relevant mechanism and algorithm should be corrected constantly.

异构多核架构是当今处理器发展的主要方向。微内核嵌入式系统目前在各个领域发挥重要作用，如何提高系统的实时性和系统资源的利用率，突破异构多核系统并行化的瓶颈成为嵌入式操作系统需要研究的关键问题。本项目拟从以下几点进行研究，1)研究并建立支持异构多核处理器的微内核操作系统体系结构。2)利用基于优先级的抢占式任务优化模型，配合全局和局部队列混合调度算法，设计适合该架构的操作系统任务调度策略。3)针对异构多核内存管理问题，运用马尔可夫预测原理，结合聚类分析方法，研究可预测分配的内存管理机制。4)针对异构多核通信问题，从核间通信和核内线程通信两个角度，利用地址映射的共享内存优势，设计基于分类的线程代理的微内核操作系统通信机制。5)针对操作系统实验平台及其性能评价方式，改进已有的支持多核的模拟平台，建立操作系统性能评价体系，并利用仿真实验和评价模型相结合的方式，不断更正相关机制和算法。

异构多核架构是当今处理器发展的主要方向。微内核嵌入式系统在各个领域发挥重要作用，如何提高系统的实时性和系统资源的利用率，突破异构多核系统并行化的瓶颈成为嵌入式操作系统需要研究的关键问题。本项目主要从异构多核处理器的微内核操作系统体系结构、任务调度、内存管理、异构多核通信等方面进行了研究：（1）将多主模式引入多核操作系统构架中，采用组件模式设计适合异构多核处理器的微内核操作系统体系结构；（2）操作系统任务调度策略方面：针对任务调度中粒子群优化算法容易陷入局部最优和过早收敛问题，提出了一种异构的多处理器独立任务调度算法和改进的粒子群优化算法，通过分析每个处理器的计算能力，用于建立了异构多处理器系统的独立任务，提高了调度效率；（3）异构多核内存管理问题方面：针对μC/OS-II内存管理机制的不足，提出了一种改进的内存管理算法，使用增强的多级分离机制、查找表和层次位图，以有效地利用内存占用；针对异构多核系统中内存分配不均的问题，提出了一种基于TLSF算法的动态内存管理机制，利用TLSF算法的位图和两级链表数据结构快速定位空闲内存块，提高空闲内存块的查找速率；（4）操作系统通信机制方面：为了提高微内核操作系统进程间通信的效率，提出了一种适应微内核的进程间通信机制。该机制通过运行IPC作为一组库函数，且在具体的IPC设计中，采用消息分类的思想，将消息分为短消息和长消息，短消息利用寄存器进行通信，长消息利用寄存器来存放消息头，消息体存放在消息队列中，并利用共享内存来进行消息传递。（5）设计适用于嵌入式操作系统的实验平台和性能评价体系：在异构多核处理器实验平台方面，为了研究面向异构多核处理器的微内核嵌入式实时操作系统的效率，以及考察算法的性能，提出了“基于改进粒子群算法多核任务调度的优化”算法；将基于异构多核微内核操作系统模型在手持稳定器控制系统开展应用，验证研究方案的可行性和正确性。