基于并行計(jì)算機(jī)架構(gòu)的OS模型探析

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)算機(jī)架構(gòu)也相應(yīng)的取得了快速的發(fā)展。并行計(jì)算機(jī)以數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)的中心，是一種新型的計(jì)算機(jī)架構(gòu)。文章主要介紹了一種基于并行計(jì)算機(jī)架構(gòu)的OS模型，其中主要包括并行計(jì)算機(jī)架構(gòu)模式、并行計(jì)算機(jī)OS模型、并行計(jì)算機(jī)OS的QOS模型等幾個(gè)方面。并行計(jì)算機(jī)的性能優(yōu)越，數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，在國民經(jīng)濟(jì)社會實(shí)踐中具有廣泛的運(yùn)用空間，值得進(jìn)一步推廣與運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：并行計(jì)算機(jī)架構(gòu)；OS模型；QOS模型

中圖分類號：TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 17-0000-02

1 引言

并行計(jì)算機(jī)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步演進(jìn)而來的一種計(jì)算機(jī)，主要是為了解決同時(shí)使用多種計(jì)算機(jī)資源解決計(jì)算的問題，其主要目的是為了解決大型而復(fù)雜的計(jì)算問題。一般來說，并行計(jì)算機(jī)主要包括一臺并行處理計(jì)算機(jī)，一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)相連的計(jì)算機(jī)專有編號，或者將二者結(jié)合起來使用。利用并行計(jì)算機(jī)，可以解決復(fù)雜的計(jì)算問題，節(jié)約成本，克服單個(gè)計(jì)算機(jī)存儲器的限制。因此，針對未來實(shí)時(shí)多媒體的運(yùn)用，開發(fā)設(shè)計(jì)出了并行計(jì)算機(jī)。并行計(jì)算機(jī)消除了總線結(jié)構(gòu)，解決了集中式控制帶來的問題。并且，其系統(tǒng)可以進(jìn)一步優(yōu)化升級，具有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不可比擬的優(yōu)越性。目前，在銀行、超市、電力部門等，為了使操作方便可靠，達(dá)到最佳的性能，設(shè)計(jì)不同的體系結(jié)構(gòu)需要與之相匹配的不同操作系統(tǒng)。所以，設(shè)計(jì)出一種新型的操作系統(tǒng)，并運(yùn)用于并行計(jì)算機(jī)這個(gè)新型體系結(jié)構(gòu)是十分必要的。文章主要針對并行計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種操作系統(tǒng)模型，該模型具有多核心、抽象設(shè)備具有獨(dú)立工作、并且可以提供QOS服務(wù)的特點(diǎn)。此外，文章還分析了設(shè)計(jì)模型過程中遇到的相關(guān)問題。

2 并行計(jì)算機(jī)架構(gòu)模式

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，并行計(jì)算機(jī)成為人們設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)操作模型的熱點(diǎn)技術(shù)。在并行計(jì)算機(jī)中，整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)中心為高速交換網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)部件是在這個(gè)中心完成數(shù)據(jù)交換和設(shè)備控制的。在通訊方式上，并行計(jì)算機(jī)運(yùn)用客戶/服務(wù)器交互模式進(jìn)行，這就使得設(shè)備對象來處理大部分設(shè)備管理任務(wù)，而不是中央處理器，減輕了中央處理器的任務(wù)。此外，并行計(jì)算機(jī)還對各設(shè)備的功能進(jìn)行了劃分，為每個(gè)硬件對象劃分了處理單元和抽象設(shè)備，并且是互不相同的，這樣就減少了部件之間的通訊量。此外，由于交換網(wǎng)絡(luò)的高帶寬能夠支持多路并發(fā)通訊，在設(shè)備和中央處理器之間可以實(shí)現(xiàn)信息的同時(shí)傳遞，促進(jìn)了各個(gè)部件高速的并行運(yùn)作，從而消除了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通訊的障礙。值得一提的是，這種通訊模式不僅使得系統(tǒng)的整體性能得到了提高，還能夠支持現(xiàn)代微內(nèi)核等操作系統(tǒng)模型。

3 并行計(jì)算機(jī)OS模型

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)操作模型無法滿足并行計(jì)算機(jī)的要求，因此，為了使得并行計(jì)算機(jī)的硬件性能得到充分的發(fā)揮，我們有必要提出并行計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)模型。

3.1 并行計(jì)算機(jī)OS的體系架構(gòu)

在并行計(jì)算機(jī)的交換網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)行處理和存儲。不同的設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要完成對設(shè)備的控制和存儲器管理等功能，然而計(jì)算機(jī)的計(jì)算工作主要靠主機(jī)來完成，這就需要不同的設(shè)備為主機(jī)提供服務(wù)，我們可以將不同設(shè)備節(jié)點(diǎn)的管理程序視為設(shè)備操作系統(tǒng)。所以，根據(jù)并行計(jì)算機(jī)和分布式架構(gòu)模型的聯(lián)系與區(qū)別，提出了一種適用于并行計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。我們稱該模型為基于并行計(jì)算機(jī)架構(gòu)的多內(nèi)核OS模型。在該操作系統(tǒng)中，主要有主機(jī)對象和抽象設(shè)備對象兩個(gè)構(gòu)成部分。主機(jī)對象的底層是主內(nèi)核，在主內(nèi)核的上面就是I/0設(shè)備對象接口，再往上面就是系統(tǒng)服務(wù)層，到最上面一層是應(yīng)用程序。這種機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：該結(jié)構(gòu)能夠使并行計(jì)算機(jī)和單機(jī)操作系統(tǒng)相互之間保持良好的兼容性，能夠讓用戶感覺應(yīng)用程序是透明的，不用去考慮多個(gè)計(jì)算并行工作。該模型的設(shè)備對象具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的自治性，設(shè)備對象不僅具有和傳統(tǒng)驅(qū)動程序類似的功能，還具有很多新型的特征，比如支持多用戶并發(fā)訪問，支持QOS等。

3.2 與OS模型相關(guān)的抽象設(shè)備

在并行計(jì)算機(jī)中，設(shè)備對象又常常被稱為抽象設(shè)備對象，抽象設(shè)備也具有繼承性、封裝性和多態(tài)性的特征。不過，抽象設(shè)備的性能與智能I/0還是有差別的，智能I/0設(shè)備和抽象設(shè)備都是通過交互接口，從而使得設(shè)備的智能功能得以實(shí)現(xiàn)。但是，智能I/0只擁有設(shè)備控制級的調(diào)用級別，并采用存儲映射的通訊方式，在靈活性和復(fù)雜性方面，智能I/0比不上抽象設(shè)備。在并行計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，該操作系統(tǒng)模型的抽象設(shè)備主要包括以下一些：磁盤、終端輸入設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、音頻處理設(shè)備、視頻處理設(shè)備。

3.3 主機(jī)OS與抽象設(shè)備的交互方式

在組成部件上，并行計(jì)算機(jī)主要包括抽象設(shè)備和一組處理單元，這些組成部件通過他們之間的通訊與協(xié)作，從而用最快的速度完成大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。所以，處理單元和抽象設(shè)備的通信與協(xié)作機(jī)制是整個(gè)并行計(jì)算機(jī)最重要的組成部分。要發(fā)展整個(gè)并行計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是提高計(jì)算節(jié)點(diǎn)性能，改進(jìn)節(jié)點(diǎn)間的通信技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)主機(jī)操作系統(tǒng)與抽象設(shè)備之間的通信，可以通過消息傳遞的方式進(jìn)行。整個(gè)通信的過程分為兩個(gè)部分，即發(fā)送信息和接收信息。在主機(jī)操作系統(tǒng)與設(shè)備對象進(jìn)行交互的方式上，可以運(yùn)用客戶機(jī)/服務(wù)器的模式，在控制方法上，這種交互方式主要具有以下兩種：遠(yuǎn)端腳本執(zhí)行方式和基于抽象設(shè)備命令接口的遠(yuǎn)端過程調(diào)用方式。其中，在并行計(jì)算機(jī)中，運(yùn)用遠(yuǎn)端腳本執(zhí)行方式能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備對象的操作和控制，這種方式可以使面向I/0的計(jì)算機(jī)能夠在智能I/0的設(shè)備上進(jìn)行交互操作得以實(shí)現(xiàn)，可以大大的減少沒有必要的主機(jī)處理，從而能夠大幅度的降低整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的通信量。而基于抽象設(shè)備命令接口的遠(yuǎn)端過程調(diào)用方式在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛的運(yùn)用，在并行計(jì)算機(jī)架構(gòu)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采用遠(yuǎn)端過程調(diào)用方式，可以實(shí)現(xiàn)控制抽象設(shè)備的目標(biāo)。

4 并行計(jì)算機(jī)OS的QOS模型

4.1 QOS模型

QOS指的是一些設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等的服務(wù)質(zhì)量，它是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的一種安全機(jī)制，可以用來解決網(wǎng)路延遲和網(wǎng)路阻塞等相關(guān)問題，是一種技術(shù)措施。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行正常的時(shí)候，如果網(wǎng)絡(luò)僅僅用于特定的無時(shí)間限制的操作系統(tǒng)或者應(yīng)用系統(tǒng)，在這樣的情況下就沒有必要運(yùn)用QOS。但是，QOS對關(guān)鍵應(yīng)用和多媒體應(yīng)用顯得十分必要。比如，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程中，如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)過載或者是網(wǎng)路擁塞的時(shí)候，運(yùn)用QOS就可以保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，能夠確保重要的業(yè)務(wù)量不會發(fā)生延遲或者丟棄，與此同時(shí)，QOS還能夠保證網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

在一般的情況下，QOS能夠提供以下三種服務(wù)模型。第一、Best—Effort服務(wù)模型。這是一個(gè)比較簡單的模型，在這種模型下，網(wǎng)絡(luò)可以盡到最大的可能來發(fā)送電報(bào)，但是它無法保證時(shí)延和可靠性。該模型通過FIFO隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)，在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)中能夠適用。第二、Int—Serv服務(wù)模型。該模型比較復(fù)雜，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用程序?qū)OS的需求。在該模型的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中運(yùn)用資源預(yù)留協(xié)議，這樣的設(shè)計(jì)能夠防止某一應(yīng)用程序?qū)Y源的過量消耗，從而有利于保證每個(gè)業(yè)務(wù)流的質(zhì)量，但是該模型具有可擴(kuò)展性很差的特點(diǎn)。第三、Diff—Serv服務(wù)模型。該模型能夠滿足不同的QOS需求，區(qū)分服務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程簡單，并且，該模型還具有良好的擴(kuò)展性。在我們研究的并行計(jì)算機(jī)架構(gòu)模型中，各個(gè)設(shè)備的功能獨(dú)立，系統(tǒng)內(nèi)的信息傳遞得以減少，執(zhí)行應(yīng)用程序的時(shí)間得到了縮短，并且，中央處理器對應(yīng)用程序高響應(yīng)比的特點(diǎn)，因而，該架構(gòu)在實(shí)時(shí)多媒體方面具有十分良好的應(yīng)用前景。有鑒于此，我們設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)也要能夠支持實(shí)時(shí)多媒體技術(shù)，尤其是要保證QOS應(yīng)用程序服務(wù)質(zhì)量。

4.2 并行計(jì)算機(jī)的QOS模型

為了保證各種應(yīng)用程序在運(yùn)行的時(shí)候，如實(shí)時(shí)應(yīng)用程序、多媒體應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序等，可以及時(shí)的獲取其所需要的各種資源，在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要QOS，以支持服務(wù)質(zhì)量保證，以使用戶提出的各種服務(wù)質(zhì)量能夠得到保障。當(dāng)用戶申請某種系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)候，用戶提出相應(yīng)的QOS要求，操作系統(tǒng)則可以根據(jù)現(xiàn)有的資源情況與用戶進(jìn)行相互協(xié)商，最后相互之間達(dá)成QOS協(xié)議，系統(tǒng)還為用戶保留相互協(xié)商好的各種資源。

傳統(tǒng)的QOS模型主要建立在兩個(gè)基本假設(shè)上面，第一、QOS管理器能夠記錄所有資源的使用狀況；第二、主機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)一管理I/O設(shè)備。但是，在并行計(jì)算機(jī)中，這兩個(gè)基本假設(shè)不能成立，其原因是各個(gè)設(shè)備是獨(dú)立的，主機(jī)無法實(shí)現(xiàn)對設(shè)備記錄管理，因此，上述的假設(shè)不能成立，傳統(tǒng)的QOS模型無法實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)現(xiàn)實(shí)的需要，提出了一種新型的操作系統(tǒng)QOS模型。在這種模型中，每個(gè)設(shè)備對象都有一個(gè)QOS服務(wù)器，這個(gè)服務(wù)器可以完成對QOS的管理和資源的分配工作，QOS管理器首先將QOS描述進(jìn)行分解，然后轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的設(shè)備對象的QOS服務(wù)器，這時(shí)，服務(wù)器便對相應(yīng)的QOS請求進(jìn)行處理。最后，將處理結(jié)果返回到QOS管理器，由管理器進(jìn)行匯總，匯總后的結(jié)果由管理器返回給應(yīng)用程序。

4 結(jié)束語

并行計(jì)算機(jī)的顯著特點(diǎn)是性能優(yōu)越，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力，因而能夠在國民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域中得到廣泛的運(yùn)用。比如，石油勘探、天氣預(yù)報(bào)、地震預(yù)報(bào)、新型武器設(shè)計(jì)、衛(wèi)星圖像處理、航空航天飛行器等等。伴隨著時(shí)代的變化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)架構(gòu)也會快速的發(fā)展，并相應(yīng)的會升級換代。文章所介紹的操作系統(tǒng)順應(yīng)了實(shí)際需要，滿足了計(jì)算機(jī)架構(gòu)的實(shí)際需求?？偟膩碚f，該系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）具有多個(gè)核心；（2）由于設(shè)備的管理系統(tǒng)被密封，這就使得計(jì)算機(jī)架構(gòu)的抽象設(shè)備具有獨(dú)立的功能；（3）該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了新型的QOS服務(wù)，滿足了并行計(jì)算機(jī)機(jī)構(gòu)的需求。總而言之，該操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠使并行計(jì)算機(jī)硬件的性能得到充分的發(fā)揮，并滿足了智能化、實(shí)時(shí)多媒體的需求，性能優(yōu)越，功能強(qiáng)大，在國民經(jīng)濟(jì)社會實(shí)踐總值得進(jìn)一步推廣與運(yùn)用。

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