当Unix进入桌面

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8月,unix操作系统迎来了自己的40周岁生日。Unix操作系统的哲学观点对开源软件、Linux甚至Windows都起到了重大作用。但在日常的应用中,Unix并不广为人知。现在,就让我们一起来看看最新Unix系统的超酷功能吧。

OpenSolaris是由SunMicrosystems公司在2005年创建的基于Unix的开源项目,是一个可用于桌面、服务器和HPC部署的单一的操作系统。作为一个创新的平台,OpenSolaris操作系统的设计能使开发者快速开发、测试、进行出错诊断,以及部署新的Web服务、HPC(高性能计算)和网络应用。Intel的加入,使OpenSolaris能够更好地应用于桌面系统,并产生了许多新的功能。

让电源更绿

绿色计算一直广受人们关注,用户在获取更好的计算能力的同时,也越来越关心系统的节能与降耗。OpenSolaris能够支持Intel处理器工作在不同的P状态、C状态和T状态。所谓P状态,是指在处理器的负荷比较低的时候,降低处理器的频率和电压,降低对电能的消耗,而在需要CPU计算能力的时候,提高它的频率和电压,从而得到很好的性能支持; C状态是指处理器在空闲的时候进入睡眠状态,而在需要的时候唤醒它; T状态是CPU时钟节制的一种状态,通过插入空指令的方式来降低 CPU执行的效率,从而可以达到降低CPU温度的效果。

在OpenSolaris下,可以使用Intel开发的Powertop工具查看和评估系统的电源使用状况。Powertop是基于Solaris(Sun研发的计算机操作系统,被认为是Unix操作系统的衍生版本之一。)下的dtrace(动态跟踪)技术实现的。图1所示是Powertop在东芝Tecra M9笔记本电脑上的输出状况,从图中可以清楚地看到CPU在各种C状态和P状态停留的时间、系统电源使用情况、系统每分钟从空闲状态被唤醒的次数,以及什么原因导致系统被唤醒等实时状态。

这一技术的应用,对于使用者来说,可以查看自己系统的电源管理状态; 而对于开发者来说,则可以更清楚地识别系统中什么程序对电源管理不友好,从而有针对性地进行电源管理优化。除此之外,还有很多电源管理方面的技术正在开发中,比如无滴答内核(tickless kernel)、感知电源管理的分配器(power aware dispatcher)等。新技术的不断使用和优化,使OpenSolaris成为一个越来越节能高效的操作系统。

让多系统共存

虚拟化技术在大型的数据中心和企业级计算中得到了很好的应用,在炙手可热的云计算中也是主要的支撑技术之一。Intel的一系列虚拟化平台技术,已经或正在应用到基于OpenSolaris的虚拟化产品Sun xVM中。2004年Intel的VT-x技术使x86平台的虚拟化得到CPU级别的支持――从此,在不需要“二进制翻译”的情况下,一个不做任何修改的操作系统可以运行在x86平台的虚拟机中。Intel相继的VT-x扩展技术还能够提升虚拟机的性能,减少虚拟化系统中CPU在不同权限级别的频繁切换,例如针对内存管理单元虚拟化的EPT和VPID(虚拟化增强技术)技术,能让虚拟机在不同代的Intel平台上自由动态迁移的FlexMigration技术和中断虚拟化支持的FlexPriority技术等。

VT-x及其扩展技术在SUN xVM中的应用使得xVM可以运行各种不经修改的操作系统,同时性能得到了很好的提升。图2显示的是运行在Intel 5500桌面系统上的xVM,未经修改的Windows、Linux和Solaris操作系统同时运行在xVM中。

在获得了CPU对虚拟化的支持后,人们更多地关注对虚拟化应用带来瓶颈的虚拟化下的I/O―传统的虚拟化I/O包括设备仿真和基于前后端驱动的泛虚拟化I/O模型。设备仿真造成了许多CPU的额外开销,对性能造成了很大的伤害,而泛虚拟化I/O模型需要针对不同的操作系统编写前后端驱动。对此,人们更多地希望可以将一个设备直接交给某一个虚拟机来处理,该虚拟机可以使用自身对该设备的驱动来管理该设备。据悉,即将推出的Sun xVM将支持包含了DMA映射(IOMMU)和中断映射技术的Intel VT-d技术,能够更好地解决这个问题。

创造性能飞跃

Intel的多核技术与Solaris多线程技术的结合,通过对CPU中每个核心和整个多核架构的优化,为用户提供了强大的计算性能。

首先, Intel QPI(Intel Quick Path Interconnect,英特尔快速通道互联技术)使用新的点到点联接方式将处理器和其他的部件联接在一起,它还包含一个高性能的集成内存控制器,它的显著优点是可以和高性能缓冲连接在一起,这样可以减少内存访问次数,同时降低系统延时,提升系统的吞吐能力。Intel超线程技术使每个核心拥有两个线程,多核多线程技术大大地了提升多任务操作系统的性能,系统还可以拥有多达8M的共享L3内存。Solaris则通过优化调度系统和内存分配优化来更好地使用Intel QPI提供的NUMA(Non-uniform Memory Access,非统一内存访问)架构,提升NUMA架构的性能; 并能通过对新的Intel微架构平台的优化,使其多线程技术更好地结合硬件。

其次,turbo模式(基于Nehalem的“Integrated Power Gate”电源管理技术,它允许关闭一些核心而将电力加至其他核心,让它们以更高的频率运行,整个CPU的热量设计功耗仍保持不变。)可以将可用的电能转化为更高的CPU核心频率。在总的电能、热量允许的情况下,让部分核心获得更高的频率,从而使运行在其上的程序获得更高的计算性能。比如当用户运行单线程应用的时候,Solaris能检测到运行该应用的核心需要最大的处理能力,在turbo模式下,CPU可以使其他内核处于省电模式,而将更多的电能供应给运行单线程的核心,使得正在执行的应用获得更多的处理能力。

其他的性能优化技术包括SSE和IOAT。SSE(Intel Streaming SIMD Extension,单指令多数据流扩展,CPU的扩展指令)的字符串和文本处理指令扩展将增强XML(Extensible Markup Language,可扩展标记语言)、字符串和文本处理的能力,这将使基于Intel最新架构的Solaris系统更适合Web2.0网络应用。Solaris的libc函数库中的字符串处理函数如strcpy、strlen、strcmp等都使用了最新的SSE指令。Intel软件性能工程师黄新平介绍,通过对这些字符串处理函数的优化,系统性能平均能提高1.6倍。

IOAT(I/O加速技术)是Intel平台针对网络I/O的加速和优化技术。IOAT的功能之一是芯片组DMA(内存直接读取)功能,Solaris内核中的dcopy模块使用这一功能实现了无CPU参与的内存拷贝操作。Solaris的网络协议处理程序能通过使用dcopy提供的接口降低处理网络协议的CPU使用率,把更多的CPU能力用来处理实际的业务。

增强系统稳定性

对于用户来说,系统的稳定性显得尤其重要。Solaris的预测性自愈(Predictive Self Healing)技术能够自动地诊断、隔离软硬件错误,并帮助系统自动恢复。Solaris FMA(Fault Management Architecture,故障管理架构)是预测性自愈的重要组成部分,它通过接收相关的软硬件错误信息,自动诊断系统发生的问题。一旦诊断发现问题,FMA会对问题进行相应的处理,比如停止使用该硬件,并将相应的处理建议告知用户。

Intel和OpenSolaris开源社区合作,将这些功能扩展到基于Intel平台的系统上,提供了对处理器、芯片组和内存系统的硬件错误处理。Intel高级软件工程师蒋仪婷介绍,Solaris 10和OpenSolaris支持Intel5000、5400、7300和5500平台上的FMA。举例来说,当内存的一个DIMM(内存模块)发生硬件错误的时候,系统通过内存控制器或者MCA(Machine Check Architecture,机器检查架构)报告该错误。Solaris的FMA截获该错误信息后,诊断该错误为DIMM硬件错误并响应该错误,在系统仍然保持运行的情况下,停止对该DIMM上错误内存的使用并记录该错误。并且会持续记住该DIMM上的错误,不管是系统被重新启动或者DIMM重新配置,直到用户修复了该硬件错误,并删除该FMA错误。

另外,Solaris和OpenSolaris中实现了基于Intel VT-d的IOMMU(输入输出内存管理单元),IOMMU的功能类似内存管理单元MMU,不同的是它存在于外设和内存之间。IOMMU将DMA地址映射到虚拟地址,并截获任何未经允许的DMA操作。就像MMU可以保护应用程序免遭其他程序的干涉一样,IOMMU可以使设备只能DMA到指定的内存地址,阻止它破坏其他的内核地址空间。有了IOMMU,设备驱动或者板卡Firmware上的任何错误的DMA都会被IOMMU截获,而不会任由其破坏整个系统。

3D桌面来临

为了让更多的人能够在基于Intel平台的桌面系统和笔记本电脑中使用OpenSolaris,Intel向开源社区提供了Intel芯片组、显卡和无线网卡等的设备驱动程序。目前,OpenSolaris中包含了所有的Intel芯片组、集成显卡和无线网卡的驱动程序,其中包括Intel 最近的4系列台式机和笔记本电脑上使用的芯片组,其中无线网卡驱动程序支持802.11B/G无线网络协议和所有的无线网络安全技术,显卡驱动程序同时支持2D和3D显示功能,这使得在Unix系统中使用3D桌面和玩3D游戏成为可能。Intel图形驱动专家梁侃说,使用最新的OpenSolaris200811系统,你完全可以很流畅地玩DOOM游戏,就像在Linux系统中一样。图3所示的是在Intel集成显卡下的3D桌面效果,千万不要以为这是一个Mac系统或Vista系统。

图3 OpenSolaris上的3D桌面效果。

图1 OpenSolaris下的Powertop使用。

图2多个操作系统同时运行在Intel平台上的xVM中。

OpenSolaris团队介绍

Intel开源技术中心OpenSolaris团队成立于2007年4月。从成立之日起,该团队和OpenSolaris开源社区一起,对OpenSolaris x86进行全面深入的优化。这些优化包括OpenSolaris内核中最关键的部分,例如内核的中断系统、电源管理、内存管理、输入输出、错误处理,桌面系统的驱动程序(Intel显卡、无线显卡),还有Intel自主创新的软件应用等。这些优化都已经存在于200811以及更高的OpenSolaris操作系统中。您可以从www.省略/os/downloads/上下载最新的OpenSolaris操作系统。