嵌入式OS設(shè)計(jì)策略解讀|憶聯(lián)企業(yè)級(jí)SSD高可靠、高性能的實(shí)現(xiàn)方法

企業(yè)級(jí)SSD需要在大量企業(yè)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)下保持超高穩(wěn)定性，以及24 小時(shí)全天候運(yùn)行，SSD的讀寫(xiě)速度、使用壽命、穩(wěn)定性及可靠性是企業(yè)級(jí)用戶關(guān)注的重點(diǎn)。為滿足用戶對(duì)企業(yè)級(jí)SSD高性能、低延時(shí)、輕量級(jí)、高可靠等需求，憶聯(lián)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了適合SSD的嵌入式操作系統(tǒng)(Operating System，縮寫(xiě)：OS)，并在其上構(gòu)建了可復(fù)制性強(qiáng)的SSD 控制器軟件系統(tǒng)。

嵌入式軟件分為三個(gè)層次，即驅(qū)動(dòng)層、OS層、業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層集結(jié)了龐大復(fù)雜的產(chǎn)品功能，負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯的部分，通常包括接口協(xié)議、業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存等；驅(qū)動(dòng)層把設(shè)備的硬件訪問(wèn)抽象成軟件接口，為OS層和業(yè)務(wù)層服務(wù)；OS層為業(yè)務(wù)層提供軟件平臺(tái)服務(wù)，讓業(yè)務(wù)層可以聚焦在實(shí)現(xiàn)龐大復(fù)雜的軟件功能上。

圖1

通用的OS功能很多，包括處理器管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、文件管理、作業(yè)管理等，而對(duì)于嵌入式OS來(lái)說(shuō)，主要聚焦在處理器管理、內(nèi)存管理等核心功能上，本文則重點(diǎn)闡述處理器管理、互斥、通信。

SSD系統(tǒng)的處理器架構(gòu)和OS部署

在PCIe 4.0時(shí)，SSD的讀寫(xiě)帶寬達(dá)到8GB/s， PCIe 5.0時(shí)SSD的讀寫(xiě)帶寬可能達(dá)到16GB/s。為了實(shí)現(xiàn)SSD的高性能，通常SSD控制器會(huì)使用多CPU、甚至多Cluster的處理器架構(gòu)，分別用于SSD業(yè)務(wù)計(jì)算和Nand flash操作。

圖2

在多處理器、多Cluster架構(gòu)下，業(yè)務(wù)部署時(shí)可以選擇SMP模式、AMP模式、或者SMP和AMP混合模式。在SSD系統(tǒng)里，基本上都是SMP模式和AMP模式混合，OS要負(fù)責(zé)程序調(diào)度、互斥、通信功能。在嵌入式系統(tǒng)中的AMP模式的通信，可以類比為通用系統(tǒng)里多進(jìn)程之間的通信，因?yàn)闆](méi)有全局?jǐn)?shù)據(jù)可用，要借助外部存儲(chǔ)空間進(jìn)行通信。

憶聯(lián)OS的調(diào)度策略

常規(guī)的OS調(diào)度對(duì)象都是線程，且每個(gè)線程有自己的堆棧和優(yōu)先級(jí)，具有搶占機(jī)制。憶聯(lián)在設(shè)計(jì)SSD嵌入式系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，線程調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)大、線程之間存在較為復(fù)雜的互斥問(wèn)題、容易出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)死鎖問(wèn)題，加之線程運(yùn)行的隨機(jī)性和無(wú)序性，讓系統(tǒng)時(shí)刻處于“不確定”狀態(tài)。因此，憶聯(lián)SSD選擇了自創(chuàng)的“功能代碼(入口函數(shù)及其調(diào)用的全部函數(shù))”調(diào)度策略。為了描述方便，本文把這些可以被OS調(diào)度的“功能代碼(入口函數(shù)及其調(diào)用的全部函數(shù))”，稱為SSD系統(tǒng)里的“事務(wù)”。

在SSD系統(tǒng)里的程序，不再以線程方式組織，而是以一個(gè)個(gè)不會(huì)阻塞的獨(dú)立“事務(wù)處理流程”方式組織。這些“事務(wù)處理流程”可以以各種方式被OS調(diào)度。

• 事務(wù)的主要特征：

（1）不會(huì)阻塞。一個(gè)事務(wù)完成一個(gè)特定的計(jì)算，它在計(jì)算過(guò)程中，不需要等待外設(shè)動(dòng)作，會(huì)一直運(yùn)行到結(jié)束。如果一個(gè)流程會(huì)被阻塞，則需要在阻塞點(diǎn)切分為多個(gè)獨(dú)立的事務(wù)。一旦一個(gè)事務(wù)被CPU執(zhí)行，則一定會(huì)執(zhí)行到事務(wù)結(jié)束。在系統(tǒng)里，除了每個(gè)CPU正在執(zhí)行的事務(wù)是運(yùn)行狀態(tài)，其他事務(wù)都處在結(jié)束狀態(tài)。比起線程的阻塞狀態(tài)態(tài)，事務(wù)狀態(tài)變得極其簡(jiǎn)單。

（2） 事務(wù)共享堆棧。事務(wù)執(zhí)行完成時(shí)，不再有局部變量需要保存在堆棧里。事務(wù)共享堆棧，堆棧需求小，調(diào)度時(shí)也沒(méi)有了堆棧切換的開(kāi)銷(xiāo)。

（3）同一個(gè)CPU，事務(wù)串行執(zhí)行。一個(gè)CPU里的事務(wù)，一定是執(zhí)行完畢一個(gè)事務(wù)后，才能開(kāi)始執(zhí)行下一個(gè)事務(wù)。同一個(gè)事務(wù)，在一個(gè)CPU上不會(huì)重入。

（4）SMP模式下事務(wù)間互斥變得簡(jiǎn)單。見(jiàn)圖3。

圖3

備注：

（1）事務(wù)完成時(shí)，不會(huì)持有全局變量的訪問(wèn)鎖。

（2）AMP之間不存在全局共享數(shù)據(jù)，不存在互斥。

• 事務(wù)的調(diào)度方式

圖4

• 事務(wù)優(yōu)先級(jí)和實(shí)時(shí)性

一次性事務(wù)具有事務(wù)優(yōu)先級(jí)功能。OS接受一次性事務(wù)調(diào)度請(qǐng)求，通過(guò)高優(yōu)先級(jí)來(lái)處理系統(tǒng)里一些緊急事務(wù)，以此達(dá)成特定事件的實(shí)時(shí)處理。

圖5

• 中斷與事務(wù)

前面已經(jīng)講述在憶聯(lián)OS里，同一個(gè)CPU里事務(wù)之間不會(huì)出現(xiàn)搶占，只有當(dāng)一個(gè)事務(wù)運(yùn)行完成后，才會(huì)運(yùn)行另外一個(gè)事務(wù)，但是中斷依然具有搶占功能。

中斷處理程序遵循常規(guī)的中斷處理流程，中斷到來(lái)時(shí)，還是會(huì)搶占當(dāng)前事務(wù)。當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)，OS會(huì)把當(dāng)前運(yùn)行的事務(wù)程序壓棧，跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序運(yùn)行，中斷處理程序完成后，被中斷的事務(wù)程序被恢復(fù)運(yùn)行。

中斷處理程序運(yùn)行時(shí)也是使用事務(wù)程序運(yùn)行時(shí)的堆棧。

中斷處理程序具備的搶占功能，可以滿足系統(tǒng)里對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景，但同時(shí)也帶來(lái)了中斷和事務(wù)之間的互斥問(wèn)題。中斷和事務(wù)的互斥方式如圖六。

圖6

中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，可分為中斷上半部和下半部。上半部讀取外設(shè)數(shù)據(jù)，下半部發(fā)送事務(wù)消息到OS調(diào)度處理。中斷下半部的互斥就變成了事務(wù)之間的簡(jiǎn)單互斥方式了。中斷發(fā)給OS的事務(wù)調(diào)度消息，可以根據(jù)需要選擇使用“緊急、高、常規(guī)”優(yōu)先級(jí)。

• 中斷處理舉例：IPC中斷

一般來(lái)說(shuō)，IPC中斷用于AMP與 CPU之間的通信。

發(fā)送方把數(shù)據(jù)寫(xiě)入共享的DDR后，發(fā)送IPC中斷給接受方。

接收方的IPC中斷程序讀取DDR里的通信數(shù)據(jù)，然后發(fā)送事務(wù)消息到自己的OS，OS按照事務(wù)進(jìn)行調(diào)度處理該事務(wù)消息。

中斷處理程序讀取DDR里的通信數(shù)據(jù)，就是中斷上半部。讀取通信數(shù)據(jù)并做具體處理，則是事務(wù)完成，是中斷的下半部。

總結(jié)

通過(guò)事務(wù)調(diào)度思路，憶聯(lián)實(shí)現(xiàn)了旗下企業(yè)級(jí)SSD產(chǎn)品的高性能和高可靠性，業(yè)務(wù)功能的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、擴(kuò)展都變得更加簡(jiǎn)單和靈活，業(yè)務(wù)功能的代碼復(fù)用也變得更簡(jiǎn)單，這讓?xiě)浡?lián)在開(kāi)發(fā)新代次SSD時(shí)，可以很好地繼承已有代次SSD產(chǎn)品的功能和品質(zhì)，保障憶聯(lián)可以持續(xù)為客戶提供高品質(zhì)SSD產(chǎn)品與存儲(chǔ)解決方案。

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