Реферат: Мультипроцессинг в PC-AT-стандарте

В МП-совместимой системе используется по одному ло­кальному блоку на процессор. Число блоков ввода-вывода должно быть не менее одного.

Чтобы обеспечить расширение функций и внесение измене­ний в будущем, архитектура APIC определяет только программ­ный интерфейс блоков APIC. Разные версии протоколов APIC могут быть реализованы с разными протоколами шины и специ­фикациями электрических сигналов.

Режимы прерывания.

В спецификации определены три ре­жима прерывания:

1. Режим PIC эффективно обходит все компоненты APIC и заставляет систему функционировать в однопроцессорном ре­жиме.

2. Режим виртуальной линии — использует APIC как вирту­альную линию, в остальном совпадает с режимом PIC.

3. Режим симметричного ввода-вывода — позволяет рабо­тать с многими процессорами.

Первые два режима обеспечивают совместимость с PC/AT. В МП-совместимой системе должен быть реализован хотя бы один из этих режимов. ОС многопроцессорной системы загру­жается в одном из РС/АТ-совместимых режимов. Затем ОС переключается в многопроцессорный режим. В этом режиме требуется функционирование хотя бы одного блока ввода-вы­вода APIC. Прерывания ввода-вывода генерируются контрол­лером блока ввода-вывода. Все линии прерывания или замас­кированы, или работают вместе с блоком ввода-вывода в сме­шанном режиме. Блок ввода-вывода имеет вход прерываний общего назначения, который можно программировать индиви­дуально для различных режимов работы. Распределение ли­ний прерывания ввода-вывода делается конкретно для каждой системы.

Распределение системы прерываний на локальном блоке APIC.

Данный блок имеет два входа прерываний общего назна­чения, зарезервированных для системных прерываний. Эти вхо­ды можно программировать индивидуально для различных ре­жимов работы.

Для обеспечения совместимости с PC/AT загрузочный про­цессор должен поддерживать DOS-совместимое исполнение операций с плавающей запятой при работе в каждом из РС/АТ-совместимых режимов.

Отображение памяти APIC.

В согласованной МП-системе все контроллеры APIC должны быть реализованы как описан­ные в памяти устройства ввода-вывода. Базовые адреса APIC находятся в верхней части адресного пространства памяти. Все локальные блоки отображаются в одних и тех же адресах, кото­рые не подлежат коллективному использованию, а используют­ся каждым процессором индивидуально.

Напротив, контроллеры ввода-вывода отображаются так, чтобы обеспечить их совместное использование всеми процессо­рами, т.е. полную симметричность доступа.

Разработчики системы должны определить идентификацию локальных блоков и гарантировать уникальность их идентифи­каторов. Используются два пути задания идентификаторов: при помощи аппаратных средств и при помощи BIOS с поддержкой аппаратных средств.

Таймеры интервалов.

Локальные блоки содержат 32-бит­ный программируемый таймер с двумя независимыми входами. Таймеры блока ввода-вывода имеют один вход.

Поддержка перезагрузки.

Для приведения всех систем компьютера в начальное состояние требуется возможность пе­резагрузки системы. В системе может выполняться «жесткая» перезагрузка, которая устанавливает все компоненты системы в начальное состояние. «Жесткая» перезагрузка производится при включении питания или при нажатии кнопки RESET на пе­редней панели.

«Мягкая» загрузка только частично инициализирует про­цессор. При использовании такой перезагрузки не происходит потери обрабатываемой информации, то есть система ожидает окончания выполнения цикла, а также не сбрасывает содержа­ние кэшей и регистров с плавающей запятой. Такой тип переза­грузки может выполняться на процессорах типа Pentium, но не Intel 486.

Мягкая загрузка одного из процессоров — одна из основных функций в МП-системе, наряду с включением и выключением. С ее помощью BSP-контроллер может выборочно инициализи­ровать АР-контроллер для последующего включения в работу или восстановления АР-контроллера после непоправимой сис­темной ошибки. Такого рода перезагрузка должна иницииро­ваться программными средствами.

Начальное состояние системы — это состояние до передачи управления от BIOS операционной системе.

ОС должна иметь доступ к информации о конфигурации МП-системы. В спецификации предусмотрено два метода пере­дачи этой информации в ОС: минимальный, позволяющий за­дать конфигурацию посредством выбора одного ив нескольких подразумеваемых наборов значений параметров аппаратуры; и максимальный, обеспечивающий высокую гибкость при проекти­ровании аппаратных средств благодаря возможности произ­вольных установок.

На рис, 3. показана общая схема структур данных, определя­ющих конфигурацию МП-системы. Используются две структу­ры данных:

Структура указателя переходов.

Эта структура содержит указатель физических адресов в таблице конфигурации и дру­гие характеристики МП-системы.

Таблица конфигурации МП-системы.

Эта таблица не явля­ется обязательной. Она содержит точную информацию о кон­троллерах APIC, процессорах, шинах и прерываниях. Она со­держит заголовок, за которым следует множество записей раз­личных типов. Формат и длина каждой записи определяются ее типом. Если таблица конфигурации присутствует, она хранится или в системной части оперативной памяти, или в ROM BIOS.

Первый байт каждой записи идентифицирует тип записи. Каждый тип записи имеет фиксированную длину. Описания ти­пов записей: процессор, шина, блок ввода-вывода. Распределе­ние прерываний ввода-вывода, распределение локальных пре­рываний.

Спецификация по умолчанию определяет несколько конфи­гураций МП-систем. Цель этих установок в том, чтобы упрос­тить проектирование BIOS. Если система соответствует одной из конфигураций, заданных по умолчанию, BIOS не должен обеспечивать таблицу конфигурации МП-системы. ОС будет содержать такую таблицу внутри себя.

Типы конфигураций системы, заданные по умолчанию, определяются байтом 1 информации о свойствах МП-систе­мы, которая является частью Структуры указателя перехо­дов. Чтобы система поддерживала конфигурацию, заданную по умолчанию, система должна поддерживать два процессо­ра и отвечать еще ряду требований. Всего имеется 7 типов си­стемы, задаваемых по умолчанию. В них задаются следую­щие поля: число процессоров, тип используемых в системе шин; тип контроллеров APIC; варианты; заложена схема МП-системы.

Функции BIOS в МП-системе.

В зависимости от многопро­цессорных компонентов в МП-системе BIOS может иметь сле­дующие дополнительные функции:

1. Перевод АР в «спящий» режим, так чтобы они не пыта­лись исполнять те же коды BIOS, что и BSP. Это необходимо, поскольку коды BIOS обычно не предназначены для мультиоб­работки.

2. Инициализация контроллеров APIC и других МП-компо­нент.

3. Создание таблицы конфигурации МП-системы.

Возрастающие требования к произво­дительности средств обработки данных обусловливают все большее распростране­ние симметричных мультипроцессорных компьютеров (SMP), в том числе и на основе процессоров Pentium. Цель создания SMP-платформ — обеспечение возможности на­ращивания производительности путем до­бавления процессоров без изменения при­ложений.

Процессор Pentium содержит специаль­ные аппаратные средства, поддерживаю­щие SMP-системы. Феномен стандартных SMP-платформ состоит в том, что они широ­ко используются в качестве серверов сис­тем различного масштаба: для рабочих групп, отделов и даже предприятий. Для де­ловых приложений на основе ОС нового по­коления типа Windows NT (Microsoft), NetWare (Novell), UnixWare (Novell), Open Server/MPS (SCO) и других доступен боль­шой выбор высокопроизводительных SMP-платформ на основе Intel-архитектуры тра­диционных производителей.

Сегодня появилось новое поколение СМР-серверов приложений. Поэтому акту­альным является создание ОС со стандарт­ным интерфейсом, которые могут обеспе­чить требуемые рабочие характеристики и надежность. Основные характеристики по­добных ОС таковы: многозадачность, мно­гопотоковая архитектура (Multithreading), многопроцессорность и стандартизация.

Многозадачность.

Типичная ОС обес­печивает многозадачность, переходя между двумя (или несколькими) активными про­граммами, исполняя каждую из них на про­тяжении короткого периода времени. Если переход осуществляется быстро и доста­точно эффективно, для конечного пользова­теля многозадачность может означать спо­собность печатать электронные таблицы и в то же время работать с текстовым процес­сором, а для сетевого сервера — одновре­менно поддерживать множество соедине­ний и сервисов.

В некоторых простых ОС (например, Windows) контекстное переключение задач возлагается на сами программы, реализую­щие многозадачность без прерываний. Та­кие ОС не могут гарантировать, что какая-либо программа не монополизирует время процессора и не приведет к возникновению конфликтов с другими задачами, которые будут ждать неопределенно долго.

В современных ОС используется много­задачность с прерыванием исполнения за­дачи пользователя. Примерами таких ОС яв­ляются Windows NT, SCO Open Server/MPX, UnixWare 2.0.

Многопотоковая архитектура.

Если ОС может исполнять более одной последо­вательности инструкций в одной задаче, го­ворят, что она поддерживает многопотоко­вую (с многими нитями управления) архи­тектуру, эффективно реализующую про­граммным способом параллельную обра­ботку и максимизирующую использование единичного процессора.

Обычно каждой задаче приписывается определенная область адресного простран­ства, в которой начинается ее исполнение. Каждому потоку выделяются для исполне­ния ресурсы, как для процесса, но потоки в рамках одной задачи (или процесса) не раз­делены в адресном пространстве. Каждый поток может использовать данные и файлы других потоков, что облегчает ОС легкое и быстрое переключение потоков (малых про­цессов).

Примерами ОС, которые поддерживают многопотоковую архитектуру, являются Windows NT и UnixWare 2.0. До недавнего времени большинство традиционных UNIX-систем не поддерживали такую архитектуру;

сейчас эта технология начинает проникать в некоторые фирменные ОС на основе UNIX (например, SunSoft Solaris 2.4, HP-UX v.10).

Потоки могут запускаться и завершать­ся очень быстро, поскольку нет необходимо­сти заново создавать новую задачу и свя­занную с ней структуру ОС. Например, в серверах для обслуживания соединения с клиентом создается новый поток. Если не используется многопотоковая архитектура, приходится создавать совершенно новый процесс и настраиваться на новое адресное пространство, что ведет к большим наклад­ным расходам и снижает производитель­ность.

Важную роль в обеспечении многопото­ковости играют драйверы устройств. Если драйверы являются многопотоковыми, они могут использоваться любым процессором МП-системы. Это существенно улучшает производительность, особенно контролле­ров дисков.

Симметричные многопроцессорные SMP-системы

Симметричные многопроцессорные SMP-системы могут исполнять любую зада­чу или поток на любом свободном процессо­ре. SMP-системы не только более гибки и эффективны, но и более устойчивы к отказам отдельных процессоров. В ассимметричных системах при отказе процессора, выделен­ного под ОС, система немедленно полно­стью прекращает работу. В SMP-системах в таких ситуациях ОС начинает использовать другие процессоры. SMP-системы обеспе­чивают также хорошее соотношение це­на/производительность, так как добавление процессора не требует приобретения новой компьютерной системы. В число распрост­раненных унифицированных ОС для SMP-си-стем входят Windows NT Server, SCO Open Server/MPX, UnixWare 2.0.

Сильносвязанная многопроцессорная обработка.

 В современных ОС со стандарт­ным интерфейсом для SMP-платформ память используется процессорами коллективно. Доступ к общему полю памяти осуществляет­ся через высокоскоростную системную шину. Все процессоры имеют одинаковый доступ ко всей памяти системы. В памяти имеется толь­ко одна копия ядра ОС; причем все процессо­ры имеют к ней равный доступ. Каждый про­цессор знает, где расположены в памяти при­кладные процессы и может исполнять его в течение установленного кванта времени без затрат на переключение приложений с про­цессора на процессор.

Стандартизация многопроцессорной обработки.

Ранее SMP-системы многих производителей были уникальны, и ОС при­ходилось всякий раз дорабатывать. Постав­щики ОС должны были поддерживать для каждого типа платформы специфические версии ОС, высокая стоимость поддержки которых делала невыгодным для многих по­ставщиков программных средств широкое распространение своих деловых приложе­ний. Не было широкого выбора многопро­цессорных систем, ОС и, что самое важное, приложений для пользователей в сфере бизнеса.

Для решения этой проблемы Лаборато­рией IAL (Intel Architecture Labs) совместно с ведущими производителями SMP-платформ, ОС (OSV) и BIOS была предложена специфи­кация Multiprocessor Specification V. 1.1. (MPSpec V. 1.1), определяющая стандарт на взаимодействие ОС с SMP-оборудованием. Стандартный интерфейс между аппаратурой и ОС помогает быстро разработать поддерж­ку одной ОС широкого круга платформ на ба­зе ЦП Intel-архитектуры.

Производителям ОС, использующим эту спецификацию, необходимо разработать стандартный драйвер, позволяющий им поддерживать одну многопроцессорную ОС для различных SMP-платформ многих по­ставщиков. Несколько новых ОС уже соот­ветствуют спецификации МР Spec, среди них Windows NT 3.5, UnixWare 2.0 и SCO Open Server/MPX.

С появлением возможности выбора из большего числа SMP-платформ и ОС отде­лы и отделения в больших корпорациях бу­дут иметь возможность более гибко выби­рать приложения, платформы и ОС, которые лучше соответствуют их требованиям. При этом нет необходимости делать новые капи­таловложения в связи с заменой программ­ных средств и переобучением персонала. Кроме того, многопроцессорные системы, построенные из доступных компонентов и поддержанные промышленными стандарта­ми на программные средства (т.е. системы, совместимые с МР Spec) обеспечат лучшее соотношение цена/производительность по сравнению с более дорогими закрытыми си­стемами.

Унифицированные ОС нового поко­ления.

Унифицированные ОС нового поко­ления, называемые часто SMP-OS, эффек­тивно поддерживают аппаратные платфор­мы SMP-систем второго поколения. По­следние характеризуются распределенны­ми прерываниями, улучшенной организаци­ей кэш-памяти, системных шин (типа Xpress фирмы Intel). Эти SMP-системы используют новый унифицированный набор БИС-кон-троллеров прерываний типа ASIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) на про­цессорах Pentium 735/90 или Pentium 815/100. МР Spec V.1.1 устанавливает фак­тический промышленный стандарт на меха­низм поддержки распределенных прерыва­ний в SMP-системах на базе наиболее со­вершенных процессоров Intel-архитектуры. Эти системы позволяют использовать все уже существующие программы для АТ-совместимых компьютеров, поддерживая одно­временно создание микроядерных ОС ново­го поколения для многопроцессорных плат­форм.

В целом, использование процессоров, ориентированных на однопроцессорную конфигурацию в многопроцессорных системах оправдано лишь в областях, требующих недорогих решений при умеренных требованиях к производительности. Однако в последнее время фирма Intel  разрабатывает свои процессоры изначально с возможностью построения многопроцессорной конфигурации, но с ограниченным числом процессоров (от 2 до 8 штук в одной SMP-системе).

Можно указать, что последние процессоры (Pentium II,III) являют собой достаточную производительность для выполнения задач серверов баз данных, интернет­‑серверов. Так же, развитие графической подсистемы современных Intel‑ориентированных компьютеров позволяет рассматривать такие мультипроцессорные SMP‑системы как реальную альтернативу дорогим графическим станциям типа SGI Onyx, O2.

Итак, реализация данной спецификации на сегодняшнем этапе уже позволила снизить общую стоимость SMP‑систем до 2-4 тысяч долларов по сравнению с 6-20 тысячами в 1994-97 годах.

1.               Журналы “Открытые Системы”, 1996-1997,№3,4 за 1998.

2.               Перевод: Дийкстра Э. Взаимодействие последовательных процессов.
[Dijkstra E. W., Co-operating Sequential Processes, Programming Languages: NATO advanced study institute, Genuys F., ed.. Academic Press, London, 1968.]

3.               8-Bit Parallel Central Processor Unit, MCS-8 User's Manual, Intel Corp., Santa Clara, CA. March 1973.

4.               Ashenhurst R. L., Vonderohe R. H., A Hierarchical Network, Datamation (February 1975).

5.               Brillouin L., Science and Information Theory, Academic Press, New York, N.Y., 1962.

6.               Carr W.N., Mize J. P., MOS/LSI Design and Application, Texas Instruments Electronic Series, McGraw-Hill, New York, N.Y., 1972.

7.               Chu Y., ed., High-Level Language Computer Architecture, Academic Press, New York, N.Y., 1975.

8.               Dahl O.J., Dijkstra E. W., Hoare C.A.R., Structured Programming, Academic Press, London, 1972.

9.               Frost D., Designing for Generality, Datamation (December 1974).

10.            Gilbert P., Chandler W.J., Interface Between Communicating Parallel Processes, Communications of the ACM, 15, 6 (June 1972).

11.            Gries D., Compiler Construction for Digital Computers, Wiley, New York, N.Y., 1971.