基于龍芯多路處理器平臺的操作系統(tǒng)實驗課程改革

景維鵬　雷海軍　楊昆　楊烜　董本志

摘 要：操作系統(tǒng)是計算機科學與技術專業(yè)重要的主干課程，隨著微處理器技術的不斷發(fā)展，如何在操作系統(tǒng)層次發(fā)揮多核處理器的性能成為近年來的研究熱點。文章從操作系統(tǒng)原理實驗課程出發(fā)，以龍芯多路處理器平臺為載體，提出分層次的操作系統(tǒng)實驗改革方案，闡述如何通過不同層次、不同考核目標的實踐教學方案，強化學生的動手能力和系統(tǒng)層軟件開發(fā)能力，對提高學生對操作系統(tǒng)運行機理理解有重要意義。

關鍵詞：操作系統(tǒng)原理； 多核； 龍芯多路處理器； 實驗

0 引 言

操作系統(tǒng)是計算機科學與技術專業(yè)必修的一門基礎課程，其培養(yǎng)目標是使學生掌握操作系統(tǒng)的基本原理和系統(tǒng)級開發(fā)能力，并通過對操作系統(tǒng)運行機理的認知全面提高學生的計算機素養(yǎng)，使學生建立起對操作系統(tǒng)的直觀認識，為今后從事相關工作打下堅實基礎[1]。

操作系統(tǒng)實驗教學不但需要學生理解操作系統(tǒng)的概念、原理與方法，還需要提高學生的系統(tǒng)編程能力，只有這樣才能讓學生真正理解操作系統(tǒng)的精髓[2]。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程實驗主要基于不同內核的開源系統(tǒng)完成[3]，例如哥倫比亞大學使用Linux系統(tǒng)進行實驗，MIT使用ATHENA開源系統(tǒng)作為實驗平臺[4]，清華大學使用XV6（UNIXV6的X86版）的擴展設計型方案開展操作系統(tǒng)實驗[5]。這些實驗內容在一定程度上滿足了學生對操作系統(tǒng)運行機理的理解，提高了學生對操作系統(tǒng)運行機理的認識。

然而，隨著多核技術的不斷發(fā)展，基于多處理器的分布式計算環(huán)境已經(jīng)成為云計算和大數(shù)據(jù)平臺的主流[6]。傳統(tǒng)的單核或單CPU上的操作系統(tǒng)實驗不能滿足學生在多處理器環(huán)境下系統(tǒng)內核運行機制的認知需要。為了更直觀地加深學生對這兩部分知識的理解，需建立計算機組成原理、匯編語言、C語言、操作系統(tǒng)等連貫的知識體系。文獻[7]對操作系統(tǒng)內核的伙伴算法提出改進，采用了反轉的思想，但其方法過于繁瑣，不適于課堂實驗，實驗結果無法通過直觀的方式展現(xiàn)。文獻[8]使用Heartbeat作為基礎的心跳檢測模型，但該方法不能直觀反映進程遷移狀況，實驗效果不明顯。龍芯多路處理器的實驗系統(tǒng)是由龍芯3A處理器構成的4單元對稱多處理平臺，通過HT總線互聯(lián)為CC-NUMA架構，可以模擬多路處理器平臺。利用該實驗平臺，可以設計符合現(xiàn)有主流多處理環(huán)境的操作系統(tǒng)實驗教學方案。

1 基于龍芯處理器的實驗教學改革

1.1 由淺入深，多層次掌握Linux操作系統(tǒng)

在實驗方案中我們選擇Linux 2.6.30版的穩(wěn)定內核作為實驗環(huán)境的操作系統(tǒng)內核。由于大部分學生對Linux系統(tǒng)接觸不多，更缺乏在Linux系統(tǒng)上獨立開發(fā)程序的能力，因此要采用從淺入深、層層深入的實驗教學模式。

（1）第一層次，熟練掌握Linux操作系統(tǒng)命令和Shell編程，設計Linux基礎實驗，在掌握Linux基本工作方式和使用方式的前提下，使學生熟練完成Tomcat、NFS、LVS、DNS、FTP等常用服務搭建，配置Hadoop、Spark、Storm集群，熟練撰寫Shell腳本，提高學生在Linux應用層的開發(fā)能力。

（2）第二層次，熟練掌握Linux進程、線程的創(chuàng)建方式以及通信方式，熟練使用如fork、exec、wait等API函數(shù)，分析其運行機理。另外，利用多路處理器平臺構建分布式并行計算環(huán)境，設計KMP算法的OpenMP實現(xiàn)和計算π值的OpenMP這兩個設計性實驗。兩個實驗既考查了學生的數(shù)學邏輯能力，又提高了學生的并行編程能力，同時加深了學生對進程、線程、內存管理的理解，使學生掌握并行計算、高性能計算等系統(tǒng)層開發(fā)技術，更好地理解和掌握進程通信的基本方法。

（3）第三個層次，針對多路處理器環(huán)境，優(yōu)化Linux系統(tǒng)的內核模塊，對Linux進程遷移和共享內存進行優(yōu)化。實驗引導學生自主閱讀Linux源代碼，并根據(jù)相關需求進行源代碼的優(yōu)化，提高學生閱讀代碼的能力，激發(fā)學生的自主創(chuàng)新能力。

通過上述的實驗過程，可以大大激發(fā)學生的學習興趣，使學生對開源軟件、系統(tǒng)層開發(fā)有深入的理解，另外采用分組合作模式，也增強了學生團隊協(xié)作的能力。第三個實驗通過復雜的內核模塊設計，引導學生走入內核開發(fā)的神秘殿堂，全面提高學生在多路處理器環(huán)境下進行系統(tǒng)層軟件開發(fā)的能力。

1.2 化難為易，從主觀和客觀兩方面進行引導

（1）在學習的主動性方面，要潛移默化地消除學生的畏難情緒，在第一層次上下功夫。該部分以講解為主，通過大量的網(wǎng)絡服務配置、Shell腳本編寫，結合操作系統(tǒng)的原理性知識，布置大量的實踐練習，并有意識地從應用及工程實踐角度，用案例的方式對實驗內容加以多角度描述，從而使學生明確實驗目的并激發(fā)其學習興趣。

（2）在客觀上化難為易，分層次引導。從第一層次的操作系統(tǒng)應用層提高開發(fā)能力，第二層加強系統(tǒng)層進程、內存管理及并行程序設計，第三層內核模塊實驗通過設計性的進程遷移和內存優(yōu)化內容培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、獨立分析問題、解決問題能力。表1為3個層次培養(yǎng)過程及目標。

（3）針對不同層次，設計完全不同的講授方式，具體見表2，有針對性地分析并提出解決方案，以幫助學生全面提高自身能力。

另外，在整個實驗的過程中，培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題的能力，尤其是在第二、第三層次，引導學生通過分析，自行尋找解決方案并驗證。

3 改進的實驗教學實例

本文使用的實驗環(huán)境為龍芯多路處理器系統(tǒng)，包括4個處理器，每個處理單元包括一顆龍芯3A 四核處理器、 DDR2內存以及RTL8110千兆以太網(wǎng)卡芯片，實驗平臺見圖1。

1）基于Linux并行程序設計。

實驗目的是使學生掌握Linux系統(tǒng)上的進程管理、進程通信以及并行編程的基本理論和方法，使用OpenMP技術實現(xiàn)KMP字符串匹配算法，從而達到理解多核編程和KMP算法并行實現(xiàn)的目的。KMP算法是一種改進的字符串匹配算法。實驗中假設文本是一個長度為n的數(shù)組T [1…n]，模式串是一個長度為m≤n的數(shù)組P[1…m]，字符串匹配是指找出文本串T中與模式串P所有精確匹配的子串的起始位置，KMP算法的時間復雜度為O（strlen（T）+strlen（P））。

實驗要求學生能夠在Linux下使用GCC編譯器或make工具完成KMP算法，查找模式串P[1…m]在文本串T [1…n]中的所有匹配位置，并在龍芯實驗平臺上編譯、運行、調試此OpenMP并行程序，觀察不同處理器核數(shù)對性能的影響。對長度為100 000 000的文本串、長度為100的模式串進行匹配，期望運行結果至少達到表3的數(shù)值。

可以直觀看到，程序開啟1～4線程時，運行時間隨線程數(shù)的增加同比例減小。增大運算規(guī)模，降低SMP模式下各內核訪問主存I/O資源的時間比例，采用4～16線程運行本程序，運行時間同樣隨線程數(shù)的增加同比例減小。

另外，可使用OpenMP編程技術實現(xiàn)π值的計算，從而達到理解多核編程和并行分解法計算π值的目的。

本實驗計算π值利用割圓法計算，如公式（1），公式每計算一項可以得到1.4位的十進制精度。在循環(huán)疊加的運算過程中，開設THREAD_NUMS數(shù)量的線程，以線程數(shù)為間隔，每個線程計算對應分量，最后累加所有分量，得到π值，并使π值滿足設定的精確度。實驗的運行結果見表4。

通過龍芯多路處理器平臺，可以看到隨著處理器路數(shù)的增多，其處理能力逐漸變強，大致隨著線程數(shù)量以2的冪次方增長，整體運行時間呈等比例減小，預期實驗結果見表4。以上兩個實驗可提高學生在Linux環(huán)境利用并行編程方式解決實際問題的能力。

2）共享內存優(yōu)化。

為了更好地提高學生在分布式環(huán)境下數(shù)據(jù)處理分析的能力，在系統(tǒng)層對操作系統(tǒng)內存管理進行優(yōu)化是目前提高性能的主要因素。因此，在實驗中應采用延遲策略或其他策略進行算法優(yōu)化Buddy的實例，能培養(yǎng)學生使用相關的閱讀代碼工具（如Sourceinsight等）進行輔助閱讀代碼。同時應重點分析內存管理模塊的代碼，提升學生對系統(tǒng)的理解。運用學過的數(shù)據(jù)結構和算法基礎對伙伴算法進行優(yōu)化，提升了學生整體的數(shù)據(jù)結構和算法設計能力，從而真正使學生對操作系統(tǒng)的內存管理機制有深入的理解。

3）進程遷移優(yōu)化。

本實驗要求針對現(xiàn)有的故障檢測技術進行分析，對已有應用層檢測方法進行改進，使故障檢測技術能夠在單獨的網(wǎng)絡協(xié)議層運行，將原有的進程遷移算法做進一步的優(yōu)化，利用Linux內核的dev_add_pack函數(shù)將心跳檢測器接收函數(shù)注冊到數(shù)據(jù)鏈路層，得到新的算法。改進算法可以讓源節(jié)點直接將地址空間傳送到目的節(jié)點，不經(jīng)過文件服務器。在發(fā)送缺頁時，直接向源節(jié)點請求調頁，一旦整個地址空間傳送到目的節(jié)點，將徹底消除對源節(jié)點的剩余依賴性；同時，引入一個virtual進程，負責進程遷移通信的處理。

本實驗同樣需要閱讀Linux源代碼，并在故障檢測模塊和進程遷移模塊中進行相關算法的優(yōu)化，主要提升學生用科學的思想進行問題分析，并根據(jù)相關文獻進行算法的優(yōu)化，最終提高學生綜合解決問題的能力。

4）Linux內核的定制。

在源代碼中針對以上兩個模塊進行優(yōu)化后，需要重新編譯優(yōu)化后的內核，以此構建一個能夠滿足應用的新Linux內核。該部分首先需要學生能夠掌握Linux內核啟動的順序，學生可根據(jù)自身能力選擇是否進入源代碼閱讀Linux的啟動流程；然后，通過相關指令生成配置文件，同時根據(jù)自己的需要對內核進行定制；最后通過編譯，生成自己定制成功的操作系統(tǒng)。

在實驗中，學生需要自主尋找內核編譯過程的方式，理解操作系統(tǒng)運行原理，并通過前面學到的Linux命令執(zhí)行編譯，這樣可以提高學生活學活用的能力，將理論知識與實際操作相結合，增強自主學習的能力。

5 結 語

該實驗改革方案在東北林業(yè)大學計算機科學技術專業(yè)2013級、2014級進行了推廣教學，實驗內容得到不斷地豐富和完善。學生通過3個層次的訓練，在操作系統(tǒng)考試中成績普遍有所提高。在今后的教學實踐中我們還會進行一些優(yōu)化和調整，如加強模擬實驗專題與實際環(huán)境的相似度，利用龍芯多路處理器平臺在設備管理和系統(tǒng)調用的實驗方面進行一些新的嘗試，以便更加全面地覆蓋操作系統(tǒng)理論知識。

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（編輯：孫怡銘）