[发明专利]面向多核平台和网络化操作系统的输入输出系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及操作系统技术，尤其是涉及面向多核平台和网络化操作系统中 的输入/输出(I/O)系统及输入/输出方法。

背景技术

CPU(处理器)从诞生之日起，主频就在不断的提高。如今，提升主频之 路已经走到了拐点。桌面电脑的CPU的主频在2000年达到了1GHz，2001年 达到2GHz，2002年达到了3GHz。但在6年之后的今天，人们仍然没有看到 4GHz CPU的出现。在提高CPU的主频方面，电压和发热量成为最主要的障 碍，导致在桌面电脑的CPU特别是笔记本电脑的CPU方面，无法再通过简单 的提升时钟频率来提升CPU的性能。

同时，随着计算机技术和市场的快速发展，能耗问题也越来越突出。信息 产业已成为高耗能产业。根据IDC全球研究，目前全球服务器的装机量是3500 万台左右，每年服务器所消耗的电力费用是每年所购买服务器费用的50％左 右，大概为290亿美元；能源消耗所带来的成本已经成为信息技术(IT)行 业所消耗运营成本的30％到50％。2007年我国IT产品的总耗电大约为300亿 --500亿千瓦时，接近三峡电站一年的发电总量。而现代超级计算环境的能耗 也居高不下。据报道，一个Google搜索所消耗的电能可以足够一个11瓦的 节能灯亮15分钟到一个小时。2006年Google数据中心消耗的电能是全美消 耗电能的1.5％。Google对服务器有过三次彻底升级，平均每次更新，性能 提升1.8倍，耗电量几乎要增长2倍。研究机构统计显示，数据中心电力消 耗仍在以每年15％～20％的速度增长。

面对主频提升之路走到尽头的状况，Intel和AMD开始寻找其它方式来提 升处理器的性能，而最具实际意义的方式是增加CPU内处理核心的数量。

多核处理器将两个或更多的完整的、独立的处理器内核安装在一个芯片 上，并直接插在主板上的一个插座中，操作系统将每一个执行内核视为一个可 以独立控制的逻辑处理器。由于拥有多个独立的CPU核，可以让每个CPU核 以较低的频率运行，因此降低了发热量，并使得多核平台具有强大的并行计算 能力。同时，在一个芯片上集成多个CPU核，而不是将它们插入到多个独立 的插座上，大大加快了CPU核之间的通信速度，提高了系统的并行执行效率。

多内核设计支持两个或多个内核以比较低的执行频率同时运行，发热量要 低许多。这些内核的计算能力结合起来可提供更加强大的处理动力，超过了现 今单内核处理器的最高水平，功耗也得以大幅降低。这样，CPU生产厂商依 然如摩尔定律所预言的那样提高了服务器平台的性能，同时该技术不再将物理 限制推向新的极限。

多核平台的出现大大拓展了处理器发展的前景，并且使得频率和温度不再 是制约处理器发展的瓶颈。据估计，到2016年，处理器将采用11纳米生产工 艺，处理器晶体管数量达到1280亿个；到2018年，处理器将采用8纳米生产 工艺，处理器晶体管的数量达到2560亿个。

虽然通过将大量处理器核集成到一个芯片上能够解决现今处理器设计实 现中的许多难题，让摩尔定律持续发展，而且也能够做到TFLOPS(T Floating Point Operations Per Second，每秒运行一万亿次浮点指令)级别的处理器。但是， 这么多硬件集成到一个芯片内部，如何利用它们、发挥它们的效能，将是软件 面临的严峻挑战。现有的操作系统和软件并不能充分利用硬件快速发展的并行 计算能力。

计算机I/O技术在计算机技术的发展中始终是一个十分重要的关键技术， 它对系统整体性能有重要影响。从根本上讲，无论现在还是将来，I/O技术都 将制约着计算机技术的应用与发展，尤其在高端计算领域。

在计算机系统中，各子系统间都必须有彼此相连的接口。比如存储器与 CPU需要通信，CPU和I/O设备同样也需要通信。这通常都是由总线完成的。 总线的两个优点是低费用和通用性。CPU和I/O设备之间的通信链路就叫I/O 总线。I/O总线是各子系统间共享的通信链路。通过定义一种互联模式，一个 新I/O设备可以很容易的添加到总线上去，外部设备可以在具有通用总线的计 算机系统中移动使用。典型的I/O总线有：AGP总线、PCI总线、ISA总线等。

通常，操作系统控制着一个计算机系统所有资源，包括I/O设备。对I/O 设备的操作必须由操作系统来完成，图1示出了现有操作系统的结构。