基于CC―NUMA的多處理器系統(tǒng)研究

對(duì)于多處理器系統(tǒng)，比較流行的有3種模式，對(duì)稱(chēng)多處理(Symmetric Multiprocessing，SMP)模式、非均勻存儲(chǔ)訪問(wèn)(Non Uniform Memory Access，NUMA)模式、大規(guī)模并行處理(Massively Parallel Processing，MPP)模式。SMP模式即將2個(gè)或2個(gè)以上的同樣的處理器連接到一個(gè)共享的主存上。在SMP系統(tǒng)中，所有的處理器可以同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)物理存儲(chǔ)器，即運(yùn)行同一個(gè)操作系統(tǒng)，因此也被稱(chēng)為均勻性存儲(chǔ)訪問(wèn)系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是由于其是共享存儲(chǔ)器，容易在訪存時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)瓶頸，可擴(kuò)展性也比較差。MPP是分布式存儲(chǔ)器模式，可擴(kuò)展性好，但是需要并行編程和并行編譯，在軟件系統(tǒng)構(gòu)建上比較復(fù)雜，使用不便。NUMA架構(gòu)將若干個(gè)單元通過(guò)專(zhuān)門(mén)的互聯(lián)設(shè)備聯(lián)結(jié)在一起組成分布式和共享內(nèi)存空間。每一個(gè)處理器可以訪問(wèn)自己的存儲(chǔ)器，也可以訪問(wèn)其他處理器或者共享的存儲(chǔ)器，所有訪存有遠(yuǎn)近、時(shí)延長(zhǎng)短之分，稱(chēng)為非均勻存儲(chǔ)訪問(wèn)。在某個(gè)處理器訪問(wèn)空間上比較遠(yuǎn)的存儲(chǔ)器時(shí)，會(huì)有很大的時(shí)延，為了緩解這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)高速緩存一致性使得處理器訪問(wèn)存儲(chǔ)器的幾率大大降低，在某種程度上提高了系統(tǒng)效率，這種架構(gòu)稱(chēng)為CC―NUMA即一致性緩存非均勻存儲(chǔ)訪問(wèn)模式。這種架構(gòu)繼承了SMP和MPP系統(tǒng)的一些優(yōu)點(diǎn)，在處理器個(gè)數(shù)，內(nèi)存大小、I／O連接能力和帶寬上有很大的伸縮性，又保持了SMP系統(tǒng)單一操作系統(tǒng)、簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序編程模式和易于管理的優(yōu)點(diǎn)。

1 CC―NUMA基本架構(gòu)
CC―NUMA架構(gòu)的系統(tǒng)最出名的莫過(guò)于SGI公司的ORIGIN系列，SGI公司很好的發(fā)展和擴(kuò)展了CC―NUMA技術(shù)，其基本架構(gòu)被廣泛應(yīng)用。圖1是其ORIGIN2000的基本原理圖，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有2個(gè)處理器，2個(gè)二級(jí)緩存，主存，用于互聯(lián)的HUB芯片，1個(gè)I／O接口，1個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由器接口，它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以看作是一個(gè)SMP，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展至128個(gè)處理器的多處理器系統(tǒng)。Origin 2000的所有結(jié)點(diǎn)通過(guò)CrayLink高性能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)接，路由器是構(gòu)成CrayLink的基本單位，它包含6個(gè)端口，內(nèi)部采用交叉開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)端口間的全互聯(lián)。每個(gè)路由器的2個(gè)端口用于聯(lián)接結(jié)點(diǎn)，其余4個(gè)端口實(shí)現(xiàn)路由器間的互聯(lián)，形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該CrayLink的半分帶寬與結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)成線性遞增關(guān)系，對(duì)任意2個(gè)結(jié)點(diǎn)，至少能提供兩條路徑，保證了結(jié)點(diǎn)間的高帶寬、低延遲聯(lián)接和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)能力。

2 兩種比較新的架構(gòu)
SGI公司的Origin系列多處理器系統(tǒng)是一種比較通用的架構(gòu)，但是還是比較復(fù)雜。后來(lái)，分別由Corepaq公司的Alpha EV7框架的處理器Alpha 21364和AMD公司的Opteron處理器組成的CC―NUMA架構(gòu)的多處理器系統(tǒng)簡(jiǎn)單很多，這兩種處理器都是針對(duì)多處理系統(tǒng)領(lǐng)域推出的，其有著特有的專(zhuān)為多處理器系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的處理器結(jié)構(gòu)。
2．1 Alpha 21364處理器
2000年，Compaq公司推出了Alpha處理器的第四代產(chǎn)品Alpha21364，這是一款RISC處理器，在當(dāng)時(shí)非常先進(jìn)，在業(yè)內(nèi)首次在處理器內(nèi)集成了內(nèi)存控制器，特別是它還有先進(jìn)的多處理互聯(lián)功能，在建造多處理器系統(tǒng)上很方便。
21364的簡(jiǎn)化圖如圖2所示。21364是64位處理器，擁有1．5 MB的L2 CACHE，支持緩存一致性協(xié)議。內(nèi)部集成了2個(gè)RDRAM內(nèi)存控制器，在RDRAM中對(duì)于頁(yè)命中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的延遲是30 ns，加載應(yīng)用的延遲是75 ns，對(duì)應(yīng)高達(dá)12 GB／s的帶寬。最大的不同就是有一個(gè)路由器，有4個(gè)連接通道可與附近處理器相連，并與本地端口和I／O端口相連，每個(gè)連接通道提供6．2 GB／s的帶寬。
21364的處理器問(wèn)互聯(lián)總線提供了CC―NUMA多處理器架構(gòu)間的無(wú)粘合連接，如圖3所示。處理器間的二維拓?fù)浠ヂ?lián)架構(gòu)滿(mǎn)足了最遠(yuǎn)的處理器間的最小系統(tǒng)延遲設(shè)計(jì)。這種架構(gòu)可擴(kuò)展至128個(gè)處理器互聯(lián)。

2．2 Opteron處理器
AMD公司在2001年推出了其第8代處理器K8架構(gòu)的Opteron處理器。Opteron處理器基于X86系統(tǒng)架構(gòu)并對(duì)其做了根本性改善，屬于64位處理器，并兼容32位X86處理器架構(gòu)。Opteron處理器集成了內(nèi)存控制器，降低了訪存延遲，加大了訪存帶寬。Hyper―Transport(超傳輸)互連控制器也被集成到Opteron處理器內(nèi)部，在處理器和I／O子系統(tǒng)之間提供了拓展性極強(qiáng)的數(shù)據(jù)連接帶寬。在Opteron處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通道為雙向16位的通訊，可以達(dá)到1 600 MT／s(每秒百萬(wàn)次傳送)的工作效率，可提供雙向?yàn)?．4 GB／s的帶寬。AMD Opteron處理器之間以及處理器同I／O子系統(tǒng)之間如何通過(guò)HyperTransport(超傳輸)技術(shù)進(jìn)行互連。處理器之間的互連采用的是一致性協(xié)議(CoherentProtocol)，相反I／O連接遵循的是非一致性協(xié)議(Non―coherent Protoco1)。集成了3個(gè)HyperTransport(超傳輸)互連控制器和1個(gè)內(nèi)存控制器的處理器，需要盡可能高效地把指令和數(shù)據(jù)信息發(fā)送到相關(guān)接口。為實(shí)現(xiàn)這一需求，系統(tǒng)采用了交叉通道架構(gòu)。