[发明专利]一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于多核实时系统的实时动态内存管理器，具体的说是一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法。

背景技术

随着实时系统的高速发展，单颗处理器芯片已无法满足实时系统对计算带宽的需求。成本低、计算能力强的多核处理器必将在高端实时系统中得到广泛应用。但是多核处理器的特殊结构会制约系统的实时性。这对实时系统的设计，特别是实时操作系统的设计提出了新挑战。多核处理器中存在多个核心共享的硬件资源，如共享Cache与前端总线等。并发任务会通过这些共享资源相互干扰，降低彼此的实时性。当实时任务的时限约束被违反时，可能会降低系统性能，甚至威胁到系统的安全。同时，多数实时系统具有混合任务集，同时包含实时任务和非实时任务。当实时任务与非实时任务并发执行时，非实时任务可能会通过处理器中的共享资源干扰实时任务的执行，导致实时任务丢失时限。因此，在将多核处理器应用到实时系统中时，必须解决共享资源对实时性的制约问题。

通过硬件或软件的方法，可以实现共享Cache划分。为实时性高的访存密集型任务分配一个独立的Cache区域。使得并发的低优先级任务不会换出该任务在Cache中的数据。现有的通用处理器基本不支持基于硬件的Cache划分。因此，在广泛使用通用处理器的开放式数控系统中只能选用基于软件的划分方法。不过，在常用的实时操作系统中，尚未出现具有Cache划分功能的实时内存管理器。

发明内容

为了克服多核实时系统中，并发任务通过共享Cache相互干扰，以降低系统实时性的问题，本发明实现了一种针对多核实时系统的实时动态内存管理器。通过将内存与共享Cache划分为多个独立区域，使得高优先级的硬实时任务不会受到其它任务通过Cache的干扰。从而提高了系统的实时性和稳定性。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向多核处理器的实时动态内存管理器实现方法，包括以下步骤：

步骤1：采用页面着色技术将物理内存与多核处理器的共享Cache划分为4个区域：独占区、共享区、通信区与非实时区；

步骤2：为独占区与共享区分别建立空闲页面管理系统，所述空闲页面管理系统包括空闲空间管理方法与空闲空间分配方法；

步骤3：利用多种同步机制封装通信区，实现基于Cache的任务间高速通信；

步骤4：将非实时区交由宿主操作系统进行管理。

所述独占区空闲页面管理方法为：每个需要独立Cache区域的硬实时任务均设置若干个空闲空间队列；队列的数量等于该硬实时任务拥有的页面颜色的数量；队列i中的元素是大小为i个页面的空闲内存空间；空闲空间尾部的32字节为指向队列中下个空闲空间的指针。

所述独占区空闲页面分配方法为：根据请求的页面数与是否要求物理上连续，在该任务的空闲队列中，为该任务选取空闲页面；如果申请n个页面并且要求物理地址连续，则在队列n中为该任务分配相应的空闲空间；如果队列n中没有空闲页面，则在大于编号大于n的队列中为该任务分配，并将剩余的页面插入到合适的队列中；如果不要求物理地址连续，则从编号最低的队列开始，为该任务分配n个页面，并完成地址映射。

所述共享区空闲页面管理方法为：共享区中每种颜色的空闲页面均有各自的空闲空间队列，队列中的元素为该颜色的空闲页面；每个空闲页面的尾部32字节指向队列中下个空闲页面。

所述共享区空闲页面分配方法为：对每种颜色的空闲队列均进行使用计数，记录使用该颜色页面的任务数；分配空闲页面时，从计数最小的任务队列开始分配，并完成相应的地址映射。

所述基于Cache的任务间高速通信机制为：在内存与Cache中设置独立区域用于任务间通信，采用多种同步方法对该区域进行封装。

本发明具有以下优点：

1.本发明实现了一种针对多核实时系统的实时动态内存管理器。通过将内存与共享Cache划分为多个独立区域，使得高优先级的硬实时任务不会受到其它任务通过Cache的干扰，从而提高了系统的实时性和稳定性。

2.在此基础上，实现了一种基于Cache的任务间高速通信机制，进一步提高了系统的实时性。

附图说明

图1为计算机物理地址与Cache地址之间的对应关系的示意图；

图2为基于页面着色技术的地址映射的示意图；

图3为RTMM中的内存区域划分的示意图；

图4为独占区中的空闲页面的示意图；

图5为共享区中的空闲页面的示意图；

图6为共享区内存分配方法的示意图；