文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
基于多核处理器架构的嵌入式微内核操作系统的研究与设计
姓名:张荫芾
申请学位级别:硕士
专业:电路与系统
指导教师:周玲玲
20090101
上海交通大学工学硕士学位论文摘要

基于多核处理器架构的嵌入式微内核
操作系统的研究与设计
摘要
随着嵌入式行业的飞速发展,嵌入式设备中的操作系统的性能也越来越受到
重视。可靠性、实时性及安全性是嵌入式系统最需要的性能,但传统的单内核操
作系统在这些方面远不如微内核操作系统有优势。以 L4 为代表的第二代微内核
操作系统在解决了 IPC 的性能问题后,很好地适应了嵌入式设备的需求,但微内
核操作系统目前尚不支持多核处理器架构,然而,现实却是多核处理器架构在嵌
入式领域的普及已经成为一种趋势。本文的出发点正是在 L4 微内核操作系统的
基础上,采用改进和扩展的方式,设计一个适用于多核嵌入式平台的微内核操作
系统,以促进多核处理器架构在嵌入式领域的深入应用。
针对嵌入式系统的特点,本文提出将分离模型的概念应用到整体设计,也即
在每个处理器内核上运行一个操作系统内核,多个操作系统内核之间通过一定机
制同步。在内存管理方面,本设计允许同一个任务的多个线程同时运行在多个处
理器内核上,也即地址空间的覆盖域可以跨核,但对于保存地址空间映射关系的
MapDB,只有一个实例并被所有的操作系统内核共享。在线程调度机制上,本
设计允许处理器核心内部的细粒度调度,并提供线程迁移的机制来实现多核间的
调度。在线程间通信方面,本文设计了一个邮箱系统作为多核间的 IPC 机制,并
通过代理线程的方式实现透明的调用。对于微内核之上运行的服务应用程序,本
设计提供独立模式、主从模式和分布式模式三种选择。
本文完成的基于多核处理器架构的微内核操作系统设计非常适用于嵌入式
环境。设计中使用的邮箱系统充分利用了多核处理器架构共享 L2 Cache 的特点,
性能分析证明本设计能提高跨核 IPC 的速度,进而提高整个系统的性能。将分离
模型应用到多核系统的整体设计思路,使得本设计的操作系统在嵌入式平台的可
靠性、实时性和安全性方面有很多应用场景。本文的设计不仅应用于与 Intel 公
司合作的基于微内核的虚拟化技术研究项目中(Intel 大学合作项目),也为其它
微内核操作系统设计提供了参考。
关键词:操作系统,微内核,多核处理器,嵌入式系统
I
上海交通大学工学硕士学位论文 Abstract

RESEARCH AND DESIGN OF
EMBEDDED MICRO-KERNEL OPERATING SYSTEM
BASED ON MULTI-CORE ARCHITECTURE

Abstract
With the fast development of embedded system industry, the performance of the
operating systems on the embedded devices is more and more important. Reliability,
real-time and security are the three most wanted feature of embedded operating
system and on these three aspects, micro-kernel operating systems have a better
paring to traditional monolithic-kernel operating systems. L4, as the
representative of second generation micro-kernel operating system, not only greatly
improves its IPC efficiency, but also fits the requirements of embedded systems very
well. However, current micro-kernel operating system cannot support multi-core
architecture, while multi-core architecture is ing more and more popular in the
embedded system field. The task of this paper is to de