基于Barrelfish的實時libOS設(shè)計與實現(xiàn)*

陳 龍，龍 翔，王 雷

(北京航空航天大學(xué) 計算機學(xué)院，北京100191)

隨著當(dāng)前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中處理器核心數(shù)目的增加，傳統(tǒng)的微內(nèi)核和單一內(nèi)核結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足眾核結(jié)構(gòu)擴展性要求，因此，業(yè)界提出了如 FOS、Barrelfish等滿足多核要求的操作系統(tǒng)原型。但是這些系統(tǒng)原型都沒有實時性方面的考慮。而今，在國防科技、航空航天、工業(yè)控制、電信行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、信息家電等多個領(lǐng)域都同時提出對多核、實時性的需求。

為了滿足這種需求，本文基于當(dāng)前現(xiàn)有多核操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)，構(gòu)建一種同時滿足多核和實時性要求的系統(tǒng)框架。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 Barrelfish操作系統(tǒng)

Barrelfish的核心思想在于cpu driver的概念，為一部分體系結(jié)構(gòu)相關(guān)代碼，每個核心上都運行單個cpu driver，它們之間不共享任何狀態(tài)，不做任何形式的同步，結(jié)構(gòu)上更像是一個分布式系統(tǒng)。與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，Barrelfish系統(tǒng)可以保證很好的擴展性[1]。

Barrelfish采用dispatcher和thread雙層調(diào)度模型，不支持搶占，使用輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略。dispatcher相當(dāng)于進程，每個dispatcher可以有許多thread，這種調(diào)度模型奠定了整個系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)。本文以此操作系統(tǒng)作為底層多核結(jié)構(gòu)的支撐。

1.2 VxWorks以及l(fā)ibOS

libOS是MIT在exokernel操作系統(tǒng)中提出的[1]，libOS將一個操作系統(tǒng)作為應(yīng)用運行在下層kernel上，kernel上可以運行多個libOS，應(yīng)用開發(fā)者可以完全自由地使用它們，甚至可以將它們替換成自己的抽象以達到提高性能的目的。底層的硬件訪問允許程序員實現(xiàn)一個自定義的抽象，去掉不需要的，這通常可以大大地提高程序的性能。本文所要構(gòu)建的系統(tǒng)框架采用了libOS的概念，這也是本文的主要思想之一。

本文采用VxWorks 5.5構(gòu)建上層libOS。VxWorks5.5與其他版本的系統(tǒng)對比具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于裁剪和分析等優(yōu)勢，采用基于搶占的優(yōu)先級調(diào)度，輔以同優(yōu)先級的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，具有256個優(yōu)先級供任務(wù)使用，VxWorks5.5不區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，所以沒有狀態(tài)切換的性能損耗，更有利于分析其實時性能。

2 系統(tǒng)構(gòu)建過程

本文構(gòu)建的系統(tǒng)框架如圖1所示。

libOS的構(gòu)建過程主要包括對Barrelfish的結(jié)構(gòu)分析與改造、對VxWorks5.5的結(jié)構(gòu)分析與改造(包括啟動過程分析與裁剪、系統(tǒng)內(nèi)核任務(wù)管理以及內(nèi)存管理代碼的移植、內(nèi)核底層結(jié)構(gòu)相關(guān)匯編代碼部分的改造)及添加實時任務(wù)等。

圖1 系統(tǒng)框架

2.1 啟動分析及改造

Barrelfish的用戶程序為常見的ELF格式，加載后的 ELF以 dispatcher的方式運行，dispatcher可以包含許多thread，在調(diào)用用戶main函數(shù)之前，libbarrelfish完成對dispatcher、thread初始化等操作，如圖2所示。其中barrelfish_init_disabled()為libbarrelfish的入口，這里設(shè)置dispatcher的入口為run_entry，即dispatcher被調(diào)度執(zhí)行的入口，thread_init_disabled()為線程初始化，這個線程最終會執(zhí)行用戶main()函數(shù)。

dispatcher調(diào)度是Barrelfish最基本的部分。改造后的dispatcher初始化過程如圖3所示。VxWorks啟動包括兩個方面：BSP啟動和VxWorks系統(tǒng)鏡像啟動。改造VxWorks的啟動流程，裁剪掉不相關(guān)代碼，保留任務(wù)管理、存儲管理等核心代碼，將兩個啟動階段合并為一個，改造之后的libOS啟動過程如圖4所示。

圖2 dispatcher初始化

圖3 改造后的dispatcher啟動

圖4 libOS啟動

2.2 中斷處理

libOS構(gòu)建過程中需要解決的一個關(guān)鍵問題是libOS如何做中斷處理，本文中l(wèi)ibOS作為dispather運行在Barrelfish的用戶空間，而Barrelfish的中斷處理發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，上層無法接收中斷，這將導(dǎo)致移植后的libOS無法保證搶占式調(diào)度策略。此外，在接收不到時鐘中斷的情況下，libOS也無法做任務(wù)掛起、定時等一系列基于時鐘的操作。

為了解決這個問題，可以從以下幾個方面考慮：(1)dispatcher響應(yīng)時鐘中斷；(2)Barrelfish判斷中斷類型；(3)libOS處理中斷流程。

除了由時鐘中斷處理程序調(diào)用dispatch()外，其他情況(如一個dispatcher退出)也可能引起 dispatch()被調(diào)用。想要只有時鐘中斷被libOS感知，就要對這些情況進行區(qū)分，在Barrelfish的kernel/dispatch.c中增加一個全局變量：

enum dispatch_type dispatch_type=DISPATCH_TYPE_DEFAULT；

每當(dāng)開始調(diào)度一個dispatcher時，根據(jù)調(diào)度的理由設(shè)置dispatch_type的值。若發(fā)生時鐘中斷，則在Barrelfish的中斷處理程序中將其設(shè)置為：

dispatch_type=DISPATCH_TYPE_TIMER_INTERRUPT;

libOS_run則是重新定義的libOS的disp_run的c函數(shù)入口，其函數(shù)原型為：

第二個參數(shù)指定了調(diào)度libOS的理由，當(dāng)其值為DISPATCH_TYPE_TIMER_INTERRUPT時，說明是由于在libOS的時間片內(nèi)發(fā)生了時鐘中斷，可以進行相應(yīng)的時鐘中斷處理。整個流程如圖5、圖6所示。

圖5 Barrelfish時鐘中斷響應(yīng)

圖6 libOS時鐘中斷處理

2.3 任務(wù)切換部分的改造

VxWorks上下文切換分兩種情況：同步和異步[4]。VxWorks的這部分代碼由匯編指令寫成，其中涉及到一部分特權(quán)指令，這些指令無法在用戶態(tài)執(zhí)行。此外針對原來中斷處理的部分也要進行改造，改造后的流程如圖7所示。

3 實驗

3.1 測試平臺

本文的測試平臺為qemu模擬器，qemu對 x86平臺有很好的支持，通過模擬4個x86核心來啟動Barrelfish。

3.2 測試流程

測試主要過程為：將用戶程序usr_test()添加到 usr-Root()根任務(wù)中啟動，使用 taskSpawn()創(chuàng)建 3個不同優(yōu)先級的任務(wù)，任務(wù)見表1。

這個流程能夠更好地體現(xiàn)系統(tǒng)基于搶占的優(yōu)先級調(diào)度策略。task3優(yōu)先級最低，被task2搶占，task2被task1搶占，最后task3改變自己的優(yōu)先級為最高又搶占task1。

圖7 任務(wù)切換流程

表1 實時任務(wù)

3.3 測試結(jié)果

將生成的libOS 鏡像添加到grub的 menu.lst中，通過module參數(shù)指定其目標(biāo)核的編號，啟動Barrelfish后會自動將其加載到目標(biāo)核上啟動。

本文通過將libOS概念應(yīng)用到對多核系統(tǒng)Barrelfish的實時性改造上，構(gòu)建一個同時滿足多核實時要求的系統(tǒng)框架，并且通過實驗驗證了這種思路的可行性。本工作保證libOS在其時間片內(nèi)的實時調(diào)度，而底層Barrelfish沒有實時性方面的考慮，可以從分析libOS的中斷延遲、中斷響應(yīng)時間、任務(wù)切換時間等方面著手，與移植之前的相應(yīng)參數(shù)做比較，提出對整個系統(tǒng)框架實時性改進的意見。

[1]BAUMANN A，BARHAM P，HARRIS T.The multikernel：a new OS architecture for scalable multicore systems.Systems Group[C].ETH Zurich，2009.

[2]ENGLER D R.The exokernel operating system architecture[R].MIT USA，1998.

[3]BAUMANN A，PETER S，SINGHANIA A.Your computer is already a distributed system，why isn′t your OS[C].12th Workshop on Hot Topics in Operating Systems，2009.

[4]官賜田.一個高性能操作系統(tǒng)vxworks的移植及其實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2006.

[5]BAUMANN A，PETER S.Embracing diversity in the Barrelfish manycore operating system[C].Systems Group，ETH Zurich，2008.