SMP是什么 啟動(dòng)方式介紹

SMP是什么？

SMP 英文為Symmetric Multi-Processing ，是對(duì)稱多處理結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)稱，是指在一個(gè)計(jì)算機(jī)上匯集了一組處理器（多CPU），各CPU之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)，一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)處理器，并共享內(nèi)存和其他的主機(jī)資源。

CMP 英文為Chip multiprocessors，指的是單芯片多處理器，也指多核心。其思想是將大規(guī)模并行處理器中的SMP集成到同一芯片內(nèi)，各個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。

（1）CPU數(shù)：獨(dú)立的中央處理單元，體現(xiàn)在主板上就是有多少個(gè)CPU槽位

（2）CPU核心數(shù)（CPU cores）：在每一個(gè)CPU上，都可能有多核（core），每個(gè)核中都有獨(dú)立的ALU，F(xiàn)PU，Cache等組件，可以理解為CPU的物理核數(shù)。（我們常說(shuō)4核8線程中的核），指物理上存在的物體。

（3）CPU線程數(shù)（processor邏輯核）：一種邏輯上的概念，并非真實(shí)存在的物體，只是為了更好地描述CPU的運(yùn)作能力。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是模擬出的CPU核心數(shù)。

不過(guò)在這里我們這里指的是多個(gè)單核CPU組合到一起，每個(gè)核都有自己的一套寄存器。

一個(gè)系統(tǒng)存在多個(gè)CPU，成本會(huì)更高和管理也更困難。多核算是輕量級(jí)的SMP，物理上多核CPU還是封裝成一個(gè)CPU，但是在CPU內(nèi)部具有多個(gè)CPU的核心部件，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程/進(jìn)程。但是需要CPU核心之間要共享資源，比如緩存。對(duì)程序員來(lái)說(shuō)，它們之間的區(qū)別很小，大多數(shù)情況可以不做區(qū)分。我們?cè)?a target="_blank">嵌入式開(kāi)發(fā)中，大部分都是用的多核CPU。

這里我們就把這個(gè)SMP啟動(dòng)轉(zhuǎn)換成多核CPU啟動(dòng)。

2、啟動(dòng)方式

程序?yàn)楹慰梢栽诙鄠€(gè)cpu上并發(fā)執(zhí)行：他們有各自獨(dú)立的一套寄存器，如：程序計(jì)數(shù)器pc，棧指針寄存器sp，通用寄存器等，可以獨(dú)自 取指、譯碼、執(zhí)行，當(dāng)然內(nèi)存和外設(shè)資源是共享的，多核環(huán)境下當(dāng)訪問(wèn)臨界區(qū) 資源一般 自旋鎖來(lái)防止競(jìng)態(tài)發(fā)生。

soc啟動(dòng)的一般會(huì)從片內(nèi)的rom， 也叫bootrom開(kāi)始執(zhí)行第一條指令，這個(gè)地址是系統(tǒng)默認(rèn)的啟動(dòng)地址，會(huì)在bootrom中由芯片廠家固化一段啟動(dòng)代碼來(lái)加載啟動(dòng)bootloader到片內(nèi)的sram，啟動(dòng)完成后的bootloader除了做一些硬件初始化之外做的最重要的事情是初始化ddr，因?yàn)閟ram的空間比較小所以需要初始化擁有大內(nèi)存 ddr，最后會(huì)從網(wǎng)絡(luò)/usb下載 或從存儲(chǔ)設(shè)備分區(qū)上加載內(nèi)核到ddr某個(gè)地址，為內(nèi)核傳遞參數(shù)之后，然后bootloader就完成了它的使命，跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核，就進(jìn)入了操作系統(tǒng)內(nèi)核的世界。

bootloader將系統(tǒng)的控制權(quán)交給內(nèi)核之后，他首先會(huì)進(jìn)行處理器架構(gòu)相關(guān)初始化部分，如設(shè)置異常向量表，初始化mmu（之后內(nèi)核就從物理地址空間進(jìn)入了虛擬地址空間的世界，一切是那么的虛無(wú)縹緲，又是那么的恰到好處）等等，然后會(huì)清bss段，設(shè)置sp之后跳轉(zhuǎn)到C語(yǔ)言部分進(jìn)行更加復(fù)雜通用的初始化，其中會(huì)進(jìn)行內(nèi)存方面的初始化，調(diào)度器初始化，文件系統(tǒng)等內(nèi)核基礎(chǔ)組件 初始化工作，隨后會(huì)進(jìn)行關(guān)鍵的從處理器的引導(dǎo)過(guò)程，然后是各種實(shí)質(zhì)性的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化，最后 創(chuàng)建系統(tǒng)的第一個(gè)用戶進(jìn)程init后進(jìn)入用戶空間執(zhí)行用戶進(jìn)程宣誓內(nèi)核初始化完成，可以進(jìn)程正常的調(diào)度執(zhí)行。

系統(tǒng)初始化階段大多數(shù)都是主處理器做初始化工作，所有不用考慮處理器并發(fā)情況，一旦從處理器被bingup起來(lái)，調(diào)度器和各自的運(yùn)行隊(duì)列準(zhǔn)備就緒，多個(gè)任務(wù)就會(huì)均衡到各個(gè)處理器，開(kāi)始了并發(fā)的世界，一切是那么的神奇。

soc在啟動(dòng)階段除了一些特殊情況外（如為了加快啟動(dòng)速度，在bl2階段通過(guò)并行加載方式同時(shí)加載bl31、bl32和bl33鏡像），一般都沒(méi)有并行化需求。因此只需要一個(gè)cpu執(zhí)行啟動(dòng)流程即可，這個(gè)cpu被稱為primary cpu，而其它的cpu則統(tǒng)一被稱為secondary cpu。為了防止secondary cpu在啟動(dòng)階段的執(zhí)行，它們?cè)趩?dòng)時(shí)必須要被設(shè)置為一個(gè)特定的狀態(tài)。（有時(shí)候?yàn)榱嗽黾訂?dòng)速度，必須對(duì)時(shí)間敏感的設(shè)備，就可能啟動(dòng)的時(shí)候整個(gè)從核并行跑一些任務(wù)）

當(dāng)primary cpu完成操作系統(tǒng)初始化，調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)始工作后，就可以通過(guò)一定的機(jī)制啟動(dòng)secondary cpu。顯然secondary cpu不再需要執(zhí)行啟動(dòng)流程代碼，而只需直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核中執(zhí)行即可。

主流程啟動(dòng)初始化一般來(lái)說(shuō)都是主核在干的，當(dāng)系統(tǒng)完成了初始化后就開(kāi)始啟動(dòng)從核。 這就像在啟動(dòng)的大門(mén)，只有主核讓你過(guò)了，其他的先在門(mén)外等著。當(dāng)cpu0啟動(dòng)到kernel后，就會(huì)去門(mén)口，把它們的門(mén)禁卡給它們，卡上就寫(xiě)的它們的目的地班級(jí)是哪里。如果沒(méi)有這個(gè)門(mén)禁卡的cpu，說(shuō)明地址為0，就繼續(xù)在原地等著。

故其啟動(dòng)的關(guān)鍵是如何將內(nèi)核入口地址告知secondary cpu，以使其能跳轉(zhuǎn)到正確的執(zhí)行位置。

aarch64架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了兩種不同的啟動(dòng)方式，spin-table和psci。

其中spin-table方式非常簡(jiǎn)單，但其只能被用于secondary cpu啟動(dòng)，功能比較單一。

隨著aarch64架構(gòu)電源管理需求的增加（如cpu熱插拔、cpu idle等），arm設(shè)計(jì)了一套標(biāo)準(zhǔn)的電源管理接口協(xié)議psci。該協(xié)議可以支持所有cpu相關(guān)的電源管理接口，而且由于電源相關(guān)操作是系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，為了防止其被攻擊，該協(xié)議將底層相關(guān)的實(shí)現(xiàn)都放到了secure空間，從而可提高系統(tǒng)的安全性。