支持对称多处理器结构的操作系统设计

SMPSMP，英文缩写，有.对称多处理，移动智能网，系统边际电价，共享内存多处理器，SMP公司，标准管理规程等的英文简写。

目录简介平时所说的双CPU系统，实际上是对称多处理机系统中最常见的一种，通常称为2路对称多处理，它在普通AMD Athlon 64 X2的商业、家庭应用之中并没有太多实际用途，但在专业制作，如3DMaxStudio、Photoshop等软件应用中获得了非常良好的性能表现，是组建廉价工作站的良好伙伴。

随着用户应用水平的提高，只使用单个的处理器确实已经很难满足实际应用的需求，因而各服务器厂商纷纷通过采用对称多处理系统来解决这一矛盾。

在中国国内市场上这类机型的处理器一般以4个或8个为主，有少数是16个处理器。

但是一般来讲，SMP结构的机器可扩展性较差，很难做到100个以上多处理器，常规的一般是8个到16个，不过这对于多数的用户来说已经够用了。

这种机器的好处在于它的使用方式和微机或工作站的区别不大，编程的变化相对来说比较小，原来用微机工作站编写的程序如果要移植到SMP机器上使用，改动起来也相对比较容易。

SMP结构的机型可用性比较差。

因为4个或8个处理器共享一个操作系统和一个存储器，一旦操作系统出现了问题，整个机器就完全瘫痪掉了。

而且由于这个机器的可扩展性较差，不容易保护用户的投资。

但是这类机型技术比较成熟，相应的软件也比较多，因此现在中国国内市场上推出的并行机大量都是这一种。

PC服务器中最常见的对称多处理系统通常采用2路、4路、6路或8路处理器。

目前UNIX服务器可支持最多64个CPU的系统，如Sun公司的产品Enterprise10000。

SMP系统中最关键的技术是如何更好地解决多个处理器的相互通讯和协调问题。

系统结构对称多处理机的系统结构，主要指处理器、存储器、输入输出(I/O)设备三者之间的连接，它对我们更好地理解多处理机操作系统是非常必要的。

多处理器与存储器之间的连接：1、多端口存储器方式：这是最简单的连接。

在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。

它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。

它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。

根据ARC的一项报告，电力行业SCADA系统全球展望，全球电力工业SCADA系统市场在2004年超过了12亿美元，预计至2009年将超过15亿美元，其复合年增长率可超过4%。

SCADA系统的效率，越来越重要的是能集成在公司的业务系统中。

SCADA系统必须能向企业的所有需要的节点提供实时的数据。

对于电气设施，一个典型的运行网络通常包括地理信息系统geographic information systems (GIS)，客户管理系统customer management systems (CMS)，职工或维护管理系统以及ERP。

SCADA的信息必须与人力资源和资产优化程序集成，以有效的作用于业务过程的改变，提高传送和分配系统的可靠性，提高性能，改善客户服务，降低运行成本。

论用Linux／PC构建电力系统SCADA通用平台周拥华1，程时杰1，黄立滨2，罗成2（1．华中科技大学电气工程学院，湖北武汉430074；2．河南许昌许继集团，河南许昌461000）摘要：为向我国220kV及以上电压等级的SCADA系统提供可靠性高、普遍实用、具有自主知识产权且性能价格比高的系统软硬件平台，结合计算机技术发展的最新成果，论述了基于Intel架构的PC服务器与Linux操作系统用于构建SCADA平台的必要性和可行性，同时提出了平台的构建方案。

从电力系统中广泛存在的监控后台需求出发，讨论了现有Solaris／Sparc、MS Windows／Intel等多种方案的局限性，并针对PC的局限，着重论述了各项关键指标的解决办法。

对称多处理器体系结构在实时系统中的应用研究I. 介绍实时系统是指对时间敏感的计算机系统，其设计的主要目的是满足时间限制。

对称多处理器（Symmetric Multiprocessor, SMP）体系结构是一种多处理器计算机体系结构，其多个处理器共享内存，有助于提高计算能力和可靠性。

本文将介绍对称多处理器体系结构在实时系统中的应用研究。

II. 对称多处理器体系结构对称多处理器体系结构是一种将多个处理器互联起来，它们共享同一块主存储器和I/O总线的体系结构。

该体系结构中每个处理器的处理能力相等。

对称多处理器体系结构大大提高了计算机系统的性能，并提高了系统的可靠性。

在许多实时系统应用场景下，对称多处理器体系结构得到了广泛的使用。

III. 实时系统的应用场景实时系统的应用场景主要包括：控制系统、航空航天、军事、制造业、医疗和交通等。

常见的实时系统需求包括响应时间、处理速度和可靠性的提高。

IV. 对称多处理器体系结构在实时系统中的应用（一）在实时系统中提高性能实时系统通常需要快速响应，能够及时处理大量数据。

对称多处理器体系结构为实时系统提供了大量的计算能力和处理能力。

通过并行处理任务，实时系统可以更快地响应请求并处理数据。

（二）在实时系统中提高可靠性实时系统的可靠性是至关重要的，它涉及到数据的安全性和系统的稳定性。

对称多处理器体系结构增加了系统的可靠性。

如果一个处理器出现故障，系统可以重新分配任务到其他处理器上。

这种分布式处理方法有助于确保实时系统的稳定性和可靠性。

（三）在实时系统中提高灵活性实时系统需要具备高度的灵活性，能够应对各种不同的请求和事件。

对称多处理器体系结构支持动态任务调度，可以将任务分配给可用处理器，从而优化系统性能。

这种动态任务调度方法有助于实现实时系统的高度灵活性和超强的适应性。

V. 结论对称多处理器体系结构在实时系统中的应用已经变得越来越广泛。

通过提高实时系统的性能、可靠性和灵活性，对称多处理器体系结构有助于满足实时系统的各种需求。

第３８卷第２期２００８年３月航空计算技术ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＶ０１．３８Ｎｏ．２Ｍ盯．２００８支持对称多处理器结构的操作系统设计任晓瑞．时磊（中国航空计算技术研究所，陕西西安７１００６８）摘要：在提高系统性能方面，ＳＭＰ结构计算机已经成为现代计算机技术发展的潮流和趋势，因此急需构建能协调多处理器并发活动并维护系统一致性的ＳＭＰ操作系统来替代原有的单处理器操作系统。

从ＳＭＰ操作系统所需要达到的目标出发，对设计满足ＳＭＰ结构操作系统中的各方面问题进行了讨论，主要对操作系统结构，多处理器的引导和操作系统初始化，多进程的并行调度、多处理器中断的管理，以及程序和数据的可重入性等方面进行了详细的讨论。

关键词：对称多处理机（ＳＭＰ）；操作系统；中断管理；进程调度；机闻中断（ＩＰＩ）中图分类号ＩＴＰ３１６文献标识码：Ａ文章编号：１６７ｌ－６５４Ｘ（２００８）０２．００５３．０５引言随着微处理器速度的增长，提高处理器频率的方法已受到随之而来的高功耗的限制，采用ＳＭＰ系统可花费最小的代价解决系统性能的提高、实现系统负载均衡调度、满足处理器容错的需要。

目前ＳＭＰ结构计算机已经成为现代计算机技术发展的潮流和趋势。

对称多处理机（ＳｙｍｍｅｔｒｉｃＭｕｈｉＰｒｏｃｅｓｓｏｒ），是指由一组处理器（多ＣＰＵ）组成的一个计算机，各ＣＰＵ之间共享内存以及总线结构。

在这种结构中，所有的处理器都可以平等地访问内存、Ｉ／Ｏ和外部中断。

虽然同时使用多个ＣＰＵ，但由于多个处理器共享内存和其他资源，由一个操作系统统一管理，因此从用户的角度来看，它们的表现就像一个ＣＰＵ一样，而其整个系统的处理能力却大幅度提高。

随着对称多处理机技术的发展，如何在原有的操作系统的基础上，实现支持ＳＭＰ结构操作系统的开发已成为需要解决的首要问题。

目前Ｌｉｎｕｘ２．４版本以上的内核，采用了细加锁机制支持对ＳＭＰ处理器的支持。

ＱＮＸ则支持操作系统为微核结构的ＳＭＰ设计，本文主要介绍满足ＳＭＰ结构的嵌入式操作系统设计过程需要考虑的问题。

操作系统概念OperatingSystemconceptsOS⼤题预测进程同步与信号量，对semaphore的定义，wait()和singal()操作进程调度策略，画Gantt图，求各个进程的轮转时间，等待时间，以及平均轮转时间，平均等待时间给出页⾯的引⽤串，根据不同的调度策略（LRU,Opt,FIFO,Clock）进⾏计算，得出缺页次数与缺页率死锁避免，银⾏家算法，系统安全状态（能否找到⼀个安全序列），对于进程的资源请求判断是否会造成死锁（避免算法）给定⽂件的索引结构，计算查找特定记录所需要的磁盘I/O次数，以及⽂件可存储的最⼤⼤⼩操作系统类型简单批处理系统多道程序批处理系统：⽆论何时都有程序在运⾏，从⽽使CPU的利⽤率达到最⼤。

分时系统(time-sharing)：在进程之间频繁切换CPU，以便⽤户在程序运⾏时能与其进⾏交互，特点是⽴即响应。

并⾏/多处理器系统：增加吞吐量（多个处理器加速⽐⼩于N），规模经济（资源共享减少开销），增加可靠性（⼀个处理器故障不会导致系统罢⼯）实时系统分布式系统：资源共享，计算加速，可靠性，通信系统调⽤System CallSystem call - the method used by a process to request action by the operating system.Usually takes the form of a trap (software interrupt).Control passes through an interrupt vector to a service routine in the OS, and the mode bit is automatically set to supervisor mode.The OS verifies that the parameters are correct and legal, executes the request, and returns control to the instruction following the system call.参数传递机制Passing parameters to the kernel for a system call must be performed differently than when using an ordinary functional call. This is because a system call is performed by the kernel itself, which typically runs in a completely different address space than the process which made the call. Thus it is not possible to simply place system call parameters onto the process’ stack as this will not be readily available to the kernel. There are three main methods to pass the parameters required for a system call:(1) Pass the parameters in registers (this may prove insufficient when there are more parameters than registers).(2) Store the parameters in a block, or table, in memory, and pass the address of block as a parameter in a register. This approach is used by Linux and Solaris.(3) Push the parameters onto a stack(内核栈); to be popped off by the OS. Block and stack methods do not limitt the number or length of parameters passed.中断InterruptThe occurrence of an event is usually signaled by a (an) interrupt from either the hardware or the software.Hardware may trigger it at any time by sending a signal to the CPU, usually by way of the system bus.硬件中断，⼜称外部中断，由CPU的外部硬件信号引发。

第四章对称多处理机系统第四章对称多处理机系统 (1)4.1引言 (2)4.2高速缓存一致性问题和存储一致性模型 (3)4.2.1高速缓存一致性问题 (3)4.2.2高速缓存一致性和存储系统一致性 (5)4.3侦听高速缓存一致性协议 (6)4.3.1基本高速缓存一致性协议 (6)4.3.2三态回写无效协议（MSI） (9)4.3.3四态回写无效协议（MESI） (11)4.3.4四态回写更新协议（Dragon） (12)4.4基本高速缓存一致性协议的实现 (14)4.4.1正确性要求 (14)4.4.2基本的高速缓存一致性设计 (15)4.5多级高速缓存 (19)4.5.1维护包含性 (20)4.5.2层次高速缓存一致性的传播 (21)*4.6分事务总线 (21)4.6.1基本设计 (22)4.6.2支持多级高速缓存 (24)4.7同步问题 (26)4.7.1基本问题 (26)4.7.2互斥操作 (27)4.7.3点到点事件同步 (30)4.7.4全局事件同步 (31)4.8实例分析：SGI Challenge (33)4.8.1 SGI处理器和主存子系统 (33)4.8.2 SGI I/O子系统 (34)4.9小结 (35)习题 (35)参考文献 (37)对称多处理机SMP（Symmetric Multiprocessor）是一类最主要的共享存储的并行计算机系统，一般利用系统总线作为互连网络实现通信，它在现今的并行服务器中几乎普遍被采用，且越来越多的出现在桌面上。

在本章中，首先讨论了基于总线的SMP机器设计的一些问题，主要包括高速缓存一致性问题、存储一致性模型、侦听高速缓存一致性协议；然后分别介绍了基于单级高速缓存和原子总线、多级高速缓存和分事务总线的高速缓存一致性协议的实现；最后，介绍了同步问题及一个具体实例SGI Challenge系统。

4.1引言对称多处理机SMP （Symmetric MultiProcessor ）结构在现今的并行服务器中几乎普遍采用，并且已经越来越多的出现在桌面上。