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多核网络处理器并行任务调度软硬件关键技术研究

作　者: 赵庆贺
导　师: 马佩军
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 网络处理器 数据平面 并行处理 任务调度 线程通信
分类号: TP393.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着互联网高速的发展，网络带宽迅速增长，使得对网络处理器的可编程性与多功能性要求不断增长，需要开发更完善的应用程序更好地发挥多核处理器的性能优势。然而网络处理器软件编程的灵活性和高效性并没有被很好的展现，网络处理器的并行处理能力需要兼顾硬件并行结构和软件的并行执行效率，并行网络处理能力受到了限制。因此在多核网络处理器应用开发时，需要一种有效的并行处理方法或技术来充分发掘出多核多线程架构的并行性能优势。本文研究了网络处理器中数据平面软件关键技术与实现。为了解决网络处理器软件开发中的关键问题，充分发挥多核多线程硬件结构的并行处理性能优势，本文提出了若干关键技术解决方案。基于多核多线程处理器硬件结构上的功能流水线实现方法，是在处理器之间采用的串并混合的并行流水技术，解决了传统的串行和并行结构的缺点和瓶颈，更容易保证各处理器间的负载均衡和并行调度；在此基础上提出一种基于多核多线程的并行报文任务分配调度方法来保证多个微处理器和多线程间的负载均衡、并行处理；利用硬件线程之间的同步通信方法有效保证了接收和发送处理的状态信息传递和报文保序，解决了各线程间的同步通信问题；基于共享队列结构的读锁互斥操作能够确保多处理器各线程对共享资源访问时的互斥操作。本文完成了数据平面软件关键技术研究，并完成了数据平面软件设计实现和全面的仿真性能分析。通过对数据平面软件的性能评估可知，该数据平面软件可以支持网络处理器系统实现分组存储转发的路由功能，实际统计带宽为1Gb/s。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章 绪论  9-13
  1.1 课题研究背景  9-10
  1.2 课题研究内容  10-11
  1.3 论文的结构安排  11-13
第二章 网络处理器体系结构  13-23
  2.1 网络处理器典型体系结构  13-14
  2.2 XDNP 网络处理器硬件结构  14-16
  2.3 网络处理器的并行技术  16-20
  2.4 网络处理器并行任务分配与处理的设计需求与重要性  20-21
  2.5 本章小结  21-23
第三章 基于宏流水线结构的多线程系统的的并行任务处理  23-35
  3.1 网络处理器软件开发中的关键问题  23-24
  3.2 包处理功能流水线划分方法  24-25
  3.3 并行包处理任务调度方法  25-28
  3.4 片上硬件线程间相互通信的方法  28-31
  3.5 基于共享队列结构的读锁互斥操作  31-34
    3.5.1 基于多生产者——多消费者的串行共享队列结构  31-32
    3.5.2 一种读锁互斥操作  32-34
  3.6 本章小结  34-35
第四章 网络处理器并行任务处理的宏流水线实现  35-53
  4.1 XDNP 网络处理器的软件构成  35
  4.2 XDNP 网络处理器的软件开发环境  35-38
    4.2.1 开发环境与工具  35-37
    4.2.2 开发语言介绍  37-38
  4.3 XDNP 软件设计中的数据结构  38-41
    4.3.1 存储资源使用  38-39
    4.3.2 自由链表和分组链表  39
    4.3.3 路由索引表和转发表  39-40
    4.3.4 分组描述符和队列描述符  40-41
    4.3.5 邮箱  41
  4.4 XDNP 的并行处理宏流水的设计实现  41-43
    4.4.1 接收流程概述  41-42
    4.4.2 发送流程概述  42-43
  4.5 宏流水线中接收级处理实现  43-46
    4.5.1 初始化配置  43
    4.5.2 包头验证和修改  43-44
    4.5.3 报文状态信息传递  44-45
    4.5.4 路由查找  45
    4.5.5 入队操作  45-46
  4.6 宏流水线发送级处理实现  46-49
    4.6.1 初始化配置  46-47
    4.6.2 任务调度  47-48
    4.6.3 出队操作  48-49
  4.7 读锁互斥机制的硬件结构实现  49-51
  4.8 本章小结  51-53
第五章 仿真及性能分析  53-63
  5.1 性能分析概述  53
  5.2 仿真及结果分析  53-61
    5.2.1 仿真环境配置  53-56
    5.2.2 仿真及性能分析  56-61
  5.3 本章小结  61-63
第六章 结束语  63-65
致谢  65-67
参考文献  67-71
研究成果  71-72

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 计算机网络 > 一般性问题 > 网络设备
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