Спецификация мультипроцессорной системы на основе PC/AT

Комитет по науке и высшему образованию

Московский Государственный Институт Электроники и Математики (ТУ).

Кафедра "Вычислительные машины,
комплексы, системы и сети".

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу “Мультипроцессорные системы”.

Тема

Спецификация многопроцессорных систем компании Intel

Выполнил студент группы С-102 Курбатов К.А.	Руководитель Денисов А.В.
Подпись _____________________	Подпись _____________________

Москва 1999

Содержание

Содержание

Введение

Область применения

Общая структура МП-системы

Основные компоненты

Системная память.

Шина расширения ввода-вывода.

Спецификация аппаратных средств

Конфигурация системной памяти.

Кэшируемость и доступность физической памяти для процессоров.

Требования к реализации внешних кэшей.

Управление памятью (блокировка).

Упорядочение записей в памяти.

Управление прерываниями.

Режимы прерывания.

Распределение системы прерываний на локальном блоке APIC.

Отображение памяти APIC.

Таймеры интервалов.

Поддержка перезагрузки.

Таблицы конфигурации МП-систем

Структура указателя переходов.

Таблица конфигурации МП-системы.

Функции BIOS в МП-системе.

Унифицированные ОС нового поколения для SMP-систем

Многозадачность.

Многопотоковая архитектура.

Симметричные многопроцессорные SMP-системы

Сильносвязанная многопроцессорная обработка.

Стандартизация многопроцессорной обработки.

Унифицированные ОС нового поколения.

Выводы

Список литературы

Введение

Предложенная компанией Intel спецификация многопроцессор­ных (МП) систем (MPS - Multiprocessor Specification V. 1.1) определяет дополнения к стандарту, ис­пользуемому производителями компьютеров при проектирова­нии DOS-совместимых систем. Операционные системы, рас­считанные на многопроцессор­ную среду, позволят запускать в работу МП-системы, совмести­мые с этой спецификацией, без дополнительной настройки. Спецификация ориентирована на разработчиков РС/АТ-совместимых МП-платформ на основе архитектур процессоров и кон­троллеров APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller) компании Intel. Тер­мин «РС/АТ-совместимый» ис­пользуется в данной работе чтобы характеризовать компо­ненты, видимые (доступных) для программных средств.

Главная цель спецификации — определить стандартный интерфейс для МП-платформ, который позволит расширить область применения РС/АТ-платформ по сравнению с традиционными однопроцессорными платформа­ми, в то же время сохраняя полную совместимость с PC/AT на уровне про­грамм.

Наличие спецификации позволит создавать рабочие станции высокого класса и серверы масштаба предприятия с хорошим отношением «цена/про­изводительность» и с возможностью исполнения всех существующих про­грамм для ПК, а также сформирует фундамент для программных пакетов для микроядерных ОС МП-систем.

Сердцем спецификации являются структуры данных, определяющие конфигурацию МП-системы (рис. 1). Эти структуры данных создает BIOS, в известном формате представляя аппаратные средства стандартным драйверам устройств или Уровню Изоляции Аппаратуры (HAL — Hardware Abstraction Layer) ОС. Спецификация определяет задаваемые по умолча­нию конфигурации аппаратуры, и в целях Польшей гибкости определяет рас­ширения для стандартного BIOS.

В спецификации рассматриваются следующие вопросы:

- Создание на основе РС/АТ-платформ многопроцессорных систем, которые могут исполнять существующие программы для однопроцессорных и мно­гопроцессорных микроядерных ОС.

- Поддержка симметричных многопроцессорных систем на одном или не­скольких процессорах, множество команд которых совместимо с архитек­турой семейств процессоров Pentium.

- Поддержка APIC (МП-контроллера прерываний) для обработки симмет­ричного ввода-вывода.

- Возможность использовать BIOS с минимальной настройкой на конкрет­ную МП-систему.

- Таблица факультативных МП-конфигураций с информацией о конфигура­ции.

- Включение ISA и других промышленных стандартов на шины, как EISA, МСА, VL и PCI в МП-совместимые системы.

- Требования, обеспечивающие прозрачную (для программного обеспече­ния) реализацию вторичной шины кэша и памяти.

Область применения

МП-спецификация будет полезна производителям компью­теров, предлагающим средства, пригодные для построения мно­гопроцессорных систем, без инвестиций в настройку на требова­ния заказчика одной или нескольких ОС. В ней рассматривают­ся вопросы разработки стандартного механизма для обеспече­ния возможности построения МП-систем на основе стандартов на аппаратные средства PC/AT.

Минимальный набор аппаратных средств, который необхо­дим для реализации МП-спецификации, таков:

- один или несколько процессоров, по набору команд совмести­мых с архитектурой семейств процессоров Intel 486 и Pentium;

- один или несколько контроллеров APIC на процессорах Pentium;

- прозрачные для программ подсистемы кэшей и общей памяти;

- видимые для программ компоненты РС/АТ-платформ.

Документ также определяет свойства МП-систем, видимые для BIOS и ОС. Однако надо учитывать, что по мере развития технологии выполняемые BIOS-функции могут изменяться. Считается, что только интерфейс с операционной системой остается неизменным.

На кого ориентирована данная спецификация? Прежде все­го, это производители РС/AТ-совместимых аппаратных средств, которые пригодны для использования и МП-системах. Во-вторых, разработчики, создающие продукты BIOS общего пользования или модифицирующие яти продукты для исполь­зования в конкретных МП-системах. В-третьих, разработчики операционных систем, адаптирующие ОС МП-системы для ис­полнения на определенных в спецификации платформах.

Общая структура МП-системы

При построении многопроцессорной архитектуры может ис­пользоваться одна из нескольких концептуальных моделей со­единения вычислительных элементов, а также множество схем взаимосвязи и вариантов реализации.

На рис. 2 показана общая структура МП-системы, построен­ной на основе спецификации MPS 1.1. В нее входит сильно свя­занная архитектура с общей памятью с распределенной обработ­кой данных и прерываний ввода-вывода. Она полностью симме­трична; это означает, что все процессоры функционально иден­тичны и имеют одинаковый статус, и каждый процессор может обмениваться с каждым другим процессором. Симметричность имеет два важных аспекта: симметричность памяти и ввода-вы­вода.

Память симметрична, если все процессоры совместно ис­пользуют общее пространство памяти и имеют в этом простран­стве доступ с одними и теми же адресами. Симметричность па­мяти предполагает, что все процессоры могут исполнять единст­венную копию ОС. В таком случае любые существующие систе­мы и прикладные программы будут работать одинаково, незави­симо от числа установленных в системе процессоров.

Требование симметричности ввода-вывода выполняется, ес­ли все процессоры имеют возможность доступа к одним и тем же подсистемам ввода-вывода (включая порты и контроллеры прерывания), причем любой процессор может получить преры­вание от любого источника. Некоторые МП-системы, имеющие симметричный доступ к памяти, в то же время являются асим метричными по отношению к прерываниям устройств ввода-вы­вода, поскольку выделяют один процессор для обработки пре­рываний. Симметричность ввода-вывода помогает убрать по­тенциально узкие места ввода-вывода и тем самым повысить расширяемость системы.

Системы, удовлетворяющие МП-спецификации, обладают симметричностью памяти и ввода-вывода, что позволяет обес­печить расширяемость аппаратных средств, а также стандарти­зовать программные средства.

Основные компоненты

МП-спецификация определяет системную архитектуру на основе следующих компонентов аппаратуры: системные процес­соры, контроллеры АРIС, системная память, шина расширения ввода-вывода.

Системные процессоры. В целях обеспечения совместимос­ти с существующими программными средствами для PC/AT, спецификация основывается на процессорах семейства Intel 486 или Pentium.

Хотя все процессоры в МП-системе функционально иден­тичны, спецификация выделяет два их типа: загрузочный про­цессор (BSP) и прикладные процессоры (АР). Какой процессор играет роль загрузочного, определяется аппаратными средства­ми или совместно аппаратурой и BIOS. Это сделано для удобст­ва и имеет значение только во время инициализации и выключе­ния. BSP-процессор отвечает за инициализацию системы и за загрузку ОС. АР-процессор активизируется после загрузки ОС.

Контроллеры APIC. Данные контроллеры обладают рас­пределенной архитектурой, в которой функции управления пре­рываниями распределены между двумя функциональными бло­ками: локальным и ввода-вывода. Эти блоки обмениваются ин­формацией через шину, называемую шиной коммуникаций кон­троллера прерываний (ICC).

В МП-системе множество локальных блоков и блоков вво­да-вывода могут коллективно использовать одну запись, взаи­модействуя через шину ICC. Блоки APIC совместно отвечают за доставку прерывания от источника прерываний до получателей по всей МП-системе.

Блоки APIC дополнительно увеличивают расширяемость за счет разгрузки шины памяти от трафика прерываний, а также разделения между процессорами нагрузки по обработке преры­ваний.

Благодаря распределенной архитектуре, локальные блоки или блоки ввода-вывода могут быть реализованы в отдельной микросхеме или интегрированы с другими компонентами систе­мы.

Системная память.

В системах, совместимых с МП-специ­фикацией, используется архитектура памяти стандарта AT. Вся память используется как системная за исключением адресов, за­резервированных под устройства ввода-вывода и BIOS.

МП-системы нуждаются в значительно более высокой про­пускной способности шины памяти по сравнению с однопроцес­сорными. Требования возрастают пропорционально числу про­цессоров на шине памяти. Поэтому спецификация содержит ре­комендации использовать кэши второго уровня, призванные снизить трафик по шине и реализующие следующие функции: стратегия обновления с обратной записью и протокол определе­ния согласованности кэшей. От кэшей второго уровня и кон­троллеров шины памяти требуется, чтобы они были полностью прозрачны для программных средств.

Шина расширения ввода-вывода.

Спецификация обеспечи­вает построение МП-систем на основе платформ PC/AT, отве­чающих промышленным стандартам. В проектах могут быть ис­пользованы стандартные шины ISA, EISA, MCA, VL, PCI.

BIOS выполняет функции слоя, изолирующего особенности аппаратных средств от ОС и программных приложений. Стан­дартный однопроцессорный BIOS выполняет следующие функ­ции: проверяет системные компоненты; строит таблицы конфи­гурации, используемые ОС; инициализирует процессор и всю остальную систему.

В многопроцессорных системах BIOS дополнительно вы­полняет следующие функции: передает информацию о конфигу­рации в ОС, которая идентифицирует все процессоры и другие компоненты МП-систем; переводит все процессоры и другие компоненты многопроцессорной системы в заданное состояние.

Одна из главных целей этой спецификации состоит в том, чтобы обеспечить возможность построения микроядерных ОС для многопроцессорных систем. Это достигается благодаря гибкому балансу между возможностями аппаратуры я BIOS. Посредством BIOS потенциально огромное разнообразие аппаратурных конфигураций уменьшается всего до нескольких вариантов, которые легко могут быть обработаны на начальной загрузочной фазе работы ОС.

Спецификация аппаратных средств

Для того чтобы ОС могла работать на многопроцессорных платформах, аппаратные средства должны обладать определенным набором свойств. Их спецификация определяет способ реализации компонентов, перечисленных я предыдущем разделе.

Соответствие спецификации подразумевает несколько аспек­тов, которые перечислены ниже.

Конфигурация системной памяти.

Спецификация МП-па­мяти основывается на стандартной карте памяти PC/AT разме­ром до 4Gb.

Кэшируемость и доступность физической памяти для про­цессоров.

Кэшируется вся память за исключением области, от­веденной для описания регистров локального блока APIC. Все процессоры имеют доступ к главной памяти и участкам памяти, отведенным под ROM BIOS.

Требования к реализации внешних кэшей.

Часто для улуч­шения рабочих характеристик в МП-системах приходится ис­пользовать внешние кэши. Наличие и детали реализации внеш­них кэшей в спецификации MPS не рассматриваются. Однако, если предполагается их использовать, они должны отвечать оп­ределенным требованиям:

- Внешние кэши должны поддерживать согласованность между собой, с главной памятью, внутренними кэшами и другими важными устройствами.

- Процессоры должны обмениваться между собой надежным об­разом, что означает невозможность взаимовлияния в тех случа­ях, когда сразу несколько процессоров получают доступ к од­ной области памяти. Внешние кэши должна! гарантировать, что все блокированные операции видимы другим процессорам.

Управление памятью (блокировка).

Для защиты целостно­сти некоторых критических операций с памятью Intel-совмести­мые процессоры используют специальный сигнал. Разработчи­ки системных программных средств должны использовать этот сигнал для управления доступом процессоров к памяти. .

Для гарантии АТ-совместимости блокировка некорректных операций с памятью в АТ-совместимых шинах в согласованной системе должна реализовываться строго в соответствии со спе­цификациями на шины.

Упорядочение записей в памяти.

Применяется при управ­лении устройствами ввода-вывода, чтобы операции с памятью и вводом-выводом выполнялись строго в запрограммированном порядке. Строгое упорядочивание операций ввода-вывода под­держивается процессорами.

Для оптимизации функционирования памяти процессоры и микропроцессорные наборы часто реализуют буферы записи и кэши обратной записи. Intel-совместимые процессоры гаранти­руют упорядоченный доступ процессоров ко всем внутренним кэшам и буферам записи.

Управление прерываниями.

В МП-совместимой системе прерывания управляются контроллерами APIC. Контроллеры APIC являются элементом распределенной архитектуры, в ко­торой функции управления прерывания распределены между двумя функциональными блоками. Эти блоки обмениваются информацией через шину (ICC). Устройство ввода-вывода оп­ределяет появление прерывания, адресует его локальному блоку и посылает по шине ICC.

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: