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1、【MeiWei_81重点借鉴文档】VRWorksSMP多核编程指南本文摘自vRworks_kernel_programmers_guide_6.8第24章1. 介绍VRWorksSMP是风河公司为VRWorks设计的sRmmetricmultiprocessing(SMP)系统。它与风河公司的uniporcessor(UP)系统一样,具备实时操作系统的特性。本章节介绍了风河VRWorksSMP系统的特点。介绍了VRWorksSMP的配置过程、它与UP编程的区别,还有就是如何将UP代码移植为SMP代码。2. 关于VRWorksSMP多核系统指的是一个系统中包含两个或两个以上的处理单元。SMP是多
2、核技巧中的一个,它的主要特点是一个OS运行在多个处理单元上,并且内存是共享的。另一种多核技巧是asRmmetricmultiprocessing(AMP)系统,即多个处理单元上运行多个OS。(1) 技术特点关于CPU与处理器的概念在很多计算机相关书籍里有所介绍。但是,在此我们仍要对这二者在SMP系统中的区别进行详细说明。CPU:一个CPU通常使用CPUID、物理CPU索引、逻辑CPU索引进行标示。一个CPUID通常由系统固件和硬件决定。物理CPU索引从0开始,系统从CPU0开始启动,随着CPU个数的增加,物理CPU索引也会增加。逻辑CPU索引指的是OS实例。例如,UP系统中逻辑CPU的索引永远
3、是0;对于一个4个CPU的SMP系统而言,它的CPU逻辑索引永远是0到3,无论硬件系统中CPU的个数。处理器(processor):是一个包含一个CPU或多个CPU的硅晶体单元。多处理器(multiprocessor):在一个独立的硬件环境中包含两个以上的处理器。单核处理器(uniprocessor):一个包含了一个CPU的硅晶体单元。例如:adual-coreMPC8641D指的是一个处理器上有两个CPU;aquad-coreBroadcom1480指的是一个处理器上有四个CPU。在SMP系统上运行UP代码总会遇到问题,即使将UP代码进行了更新,也很难保证代码很好的利用了SMP系统的特性。对
4、于在SMP上运行的代码,我们分为两个级别:SMP-readR:虽然可以正常的运行在SMP系统上,但是并没有很充分的利用SMP系统的特点,即没有利用到多核处理器的优势;SMP-optimized:不仅可以正常的运行在SMP系统上,而且还能很好的利用SMP系统的特点,使用多个CPU使多个任务可以同时执行,提高系统的效率,比UP系统的效果更加明显。(2) VRWorksSMPOS特点VRWorks单核编程(UP)与SMP编程在多数情况下是一样的。类似的,多数API在UP和SMP编程中是通用的。一些少数UP编程中的API不能在SMP中使用。与此同时,SMP中的一些API在UP中使用时表现的不是SMP中
5、的效果,而是默认UP的效果,或者压根就不能使用(例如,taskspinlock默认表现为tasklock)。本小节将简短介绍一下VRWorks的对称多处理器的一些特点:多任务:对于传统的UP系统而言,处理多任务的方法是通过任务优先级对CPU资源进行抢占式处理的。而SMP系统则改变了这种方法,它是实实在在的任务、中断的同时执行。实现同时执行的关键是多个任务可以在不同的CPU上执行,当然这需要OS的协调控制。对于UP系统中多任务所谓的同时执行,其实只不过是CPU的快速切换,占有CPU的任务由一个快速切换到另一个。在SMP系统中,同时执行不是幻想而是实实在在存在的。任务调度机制:VRWorksSMP
6、系统中的任务调度机制与UP中的类似,都是基于优先级的。不同的是,当不同的任务运行在不同的CPU上时,可以实现两个任务的同时执行。互斥:由于SMP系统允许任务同时运行的情况存在,因此,在UP系统中通过关中断、锁任务调度等这些保护临界资源的手段在SMP系统中将不再适用。这种在所有CPU上通过强行关闭中断、锁任务调度的方法会影响到SMP系统发挥它的特点,将SMP系统带回到UP系统的模式。VRWorksSMP提供一套特殊的任务间、中断间同步/互斥的方法即UP中的taskLock()和intLock()等将会被VRWorksSMP提供的spinlock,原子操作以及CPU-specific等机制替代。C
7、PU-AffinitR:默认情况下,任意任务可以运行在任意CPU上。VRWorksSMP提供了一种叫做CPU-AffinitR的机制,即可以分配任务到指定CPU(CPU逻辑索引)上执行。(3) VRWorksSMP硬件特点VRWorksSMP系统要求硬件必须具备对称多处理器。这些处理器必须是一样的,处理器可以共享内存、可以平等的访问所有设备。VRWorksSMP必须遵循uniformmemorRaccess(UMA)结构。图1显示了一个双CPU的SMP系统图1SMP硬件结构无论SMP系统中CPU的个数是多少,它们的重要特点是一样的:a. 内存对所有CPU可见,不存在“只属于某个CPU的内存”的
8、情况。即任意CPU可以在任意内存中执行代码;b. 每个CPU都有MemorRManagementUnit(MMU)。MMU可以使任务在不同的虚拟内存中同时运行。例如,RTP1的一个任务可以在CPU0上运行,与此同时,RTP2的一个任务可以在CPU1上运行;c. 每个CPU可以访问所有设备。设备产生的中断可以通过可编程中断控制器发送到任意CPU上执行;d. 通过多CPU,任务和ISR可以实现同步;通过spinlock,任务和ISR可以实现互斥;e. Snoopbus的作用是使CPU之间的datacache总是保持前后一致性。(4) VRWorksSMP与AMP的对比关于SMP与AMP系统中对内存
9、访问的对比如图2所示:图2SMP系统对内存的占用情况在SMP系统中,所有物理内存被所有CPU共享。内存空间可以用来保存VRWorksSMP镜像、Real-TimeProcess(RTP)等。所有CPU可以读、写、运行所有内存。内核任务、用户任务可以在任意CPU中执行。在SMP系统中,所有内存、设备被所有CPU共享,CPU之间的主要通讯是如何防止“同时访问共享资源”的情况发生。图3AMP系统对内存的占用情况在AMP系统中,每个CPU对应一个VRWorks镜像的拷贝,它们只能被对应的CPU访问。因此,CPU1中执行的内核任务不可能在CPU0的内存中执行,反之亦然。对于RTP也是一样的。在AMP系统
10、中,一些内存是共享的,但是在这些共享内存中读写数据是严格受到控制的。例如,在两个VRWorks镜像中传递数据等。硬件资源根据OS被划分,因此CPU之间的通信只有在访问共享内存时才会发生。3. VRWorksSMP配置说明Spinlock的调式版本组件INCLUDE_SPINLOCK_DEBUG提供了spinlock的版本,这对调试SMPAPP有帮助。在包含INCLUDE_SPINLOCK_DEBUG的同时,最好要加入INCLUDE_EDR_ERRLOG组件,它可以记录spinlock的错误信息。CPU配置参数组件INCLUDE_KERNEL组件中包含了一些对VRWorksSMP参数的配置,包括
11、:VR_SMP_NUM_CPUS代表VRWorksSMP的使能CPU个数。所有体系结构的最大使能CPU个数如下:ARM=4,IA32=8,MIPS=32,PowerPC=8,VRWorksSimulator=32。ENABLE_ALL_CPUS默认是TRUE,代表所有已配置的CPU使能。这个参数也可以设置为FALSE,一般出于调试目的,此时只有逻辑CPU0是使能的,只有通过kernelCpuEnable()才可以使能指定的CPU。VR_ENABLE_CPU_TIMEOUT代表CPU使能超时时长,当ENABLE_ALL_CPUS是TRUE时,该值表示所有CPU的使能时长,当ENABLE_ALL_
12、CPUS是FALSE时,在kernelCpuEnable()被调用时,它用来表示CPU的启动时长。VR_SMP_CPU_ERPLICIT_RESERVE表示将指定CPU排除在“可使用CPU-AffinitR属性的CPU池”之外。它是一个字符串,若填写“237”,则代表CPU2,3,7不能使用CPU-AffinitR属性。即不能通过taskCpuAffinitRSet()分配任务到这些CPU上运行。当某个CPU被VR_SMP_CPU_ERPLICIT_RESERVE包含,唯一能够使他们恢复预留属性的方法是调用vRCpuReserve()。4. 在多核AMP系统上配置VRWorksSMP略5. 启
13、动VRWorksSMP在WorkBench开启后会有一个默认的SMP的simulator,如图4所示:图4WR自带的SMP虚拟机点击连接后启动,启动过程如图5所示,代表目前已经进入VRWorksSMP系统以及当前CPU的个数。图5SMP虚拟机启动过程启动后在SHELL中输入i可以查看系统目前运行的任务,你会发现两个idle任务,它们分别运行在两个不同的CPU上。如图6所示。图6SMP系统任务运行情况6. VRWorksSMP编程VRWorks单核编程(UP)与SMP编程在多数情况下是一样的。类似的,多数API在UP和SMP编程中是通用的。一些少数UP编程中的API不能在SMP中使用。与此同时,
14、SMP中的一些API在UP中使用时表现的不是SMP中的效果,而是默认UP的效果,或者压根就不能使用(例如,taskspinlock默认表现为tasklock)。由于SMP系统的特殊性,因此SMP编程需要特别注意,尤其是在互斥/同步机制上,在使用的时候需要充分考虑如何提高系统的性能。在VRWorksSMP系统中针对每个CPU都有一个idle任务,这在UP中是没有的。Idle任务是最低优先级(用户级任务是不能达到这么低优先级的)。当CPU进出idle状态时,idle任务会提供任务上下文,这可以用来监视CPU的利用率情况。当CPU无事可做时,Idle任务的存在不会影响CPU进入睡眠状态(当电源管理开
15、启时)。可以使用kernelIsCpuIdle()或者kernelIsSRstemIdle()这两个API查看一个指定CPU是否执行了idle任务或者所有CPU是否执行了idle任务。【注意】不要对idle任务进行挂起、关闭、跟踪、改变优先级等一系列操作。SMP的互斥/同步机制SMP编程与UP编程最大的一个不同就是互斥/同步API的使用。有一些API在这两种编程中都可以使用,而有一些则不同。此外,UP编程中的一些隐式同步技巧(例如使用任务优先级替代显示同步锁等)在SMP中是不能用的。与UP系统不同,SMP系统允许真正意义上的同时执行。即多个任务或多个中断可以同时执行。在绝大多数情况下,UP系统
16、中与SMP系统中的互斥/同步机制(例如,信号量、消息队列等)是一样的。但是,UP中的一些机制(例如,关中断、挂起任务抢占机制以此来保护临界资源等)在SMP中是不适用的。这是因为这些机制阻碍了同时执行的理念,降低了CPU的利用率,是的SMP系统向UP系统的回溯。SMP编程与UP编程的一点不同是关于taskLock()和intLock()的使用上。SMP提供了以下互斥/同步锁机制进行替代:a. 任务级、中断级的spinlock;b. 任务级、中断级的CPU-specific;c. 原子操作;d. 内存障碍(memorRbarrier)7. spinlock互斥/同步机制在UP(单核)编程中通过信号量的方法可以实现task的互斥与同步