Linux内核分析SMP启动.ppt

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1、Linux内核分析多处理器SMP系统结构,黄晶晶 1134444 蒋乾悦 1131843 魏浩洋 1131841,SMP简介,SMP简介 SMP系统的引导 SMP结构中的互斥 SMP结构中的高速缓存与内存的一致性 SMP结构中的中断机制 SMP结构中的进程调度,SMP简介,在给定的时间内，CPU的最高速度是有限的，提高计算速度方法之一 就是使用多个CPU 多处理器系统（Multi-Processor Systems，MPS） 整个硬件系统由统一的操作系统控制， 在处理器和程序之间实现作业、任务、 程序等的全面并行,并行计算机分类 根据指令流和数据流的不同，通常把计算机系统分为： 单指令流单数据

2、流（SISD） 单指令流多数据流（SIMD） 多指令流单数据流（MISD） 多指令流多数据流（MIMD） 并行计算机系统绝大部分为MIMD系统（5类），包括 并行向量机（PVP，Parallel Vector Processor）； 对称多处理机（SMP , Symmetric Multi Processor）； 大规模并行处理机（MPP，Massively Parallel Processor）； 机群（Cluster）； 分布式共享存储多处理机（DSM，Distributed Shared Memory）,SMP简介,SMP简介,对称多处理器（Symmetric Multi-Process

3、or，SMP） 硬件上，CPU没主次之分（除启动和初始化外）,物理上采用同一种CPU，所有的 CPU通过同一条总线共享同一个内存以及所有的外部设备。为了减少访问内存冲突，SMP结构中的各个CPU通常都有各自的高速缓存 软件上，每个CPU平等动态地从进程就绪队列中调度进程加以执行，中断请求也是等概率动态地分配给某个CPU，由其提供中断服务,系统总线,外部设备,SMP简介,对称多处理器（Symmetric Multi-Processor，SMP） SMP系统一般使用同一种商品化微处理器，具有片上或外置高速缓存（减少访问内存的冲突） 经由高速总线（或交叉开关）连向共享存储器 单一操作系统映像 共享总

4、线带宽。所有处理器共享总线带宽，完成对内存模块和I/O模块的访问 各个CUP独立地、异步地执行指令,SMP简介,优点： 低通信延迟，各个进程通过读/写操作系统提供的共享数据缓存区来完成处理器间的通信，其延迟通常小于网络通信延迟 缺点： 可用性比较差 可扩展性较差,SMP简介,组建SMP系统 CPU内部必须内置APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers）单元 相同的产品型号，同样类型的CPU核心 完全相同的运行频率 尽可能保持相同的产品序号编号,SMP简介,与单处理器结构相比，SMP结构的实现的特殊问题 处理器间的同步与互斥 高速缓存与内存之

5、间内容的一致性问题 对中断的处理,SMP的启动,SMP的启动 概述 SMP启动的过程 (1) 启动流程 (2) 相关函数介绍,SMP的启动,概述 SMP结构中的CPU都是平等的，没有主次之分，这是基于系统中有多个进程的前提下 在同一时间，一个进程只能由一个CPU执行 系统启动对于SMP结构来说是一个特例，因为在这个阶段里系统中只有一个CPU,SMP的启动,概述 SMP系统在启动，即刚加电或总清时，只能由一个CPU来执行系统引导和初始化。 这个CPU称为“引导处理器”，即BP，其余的处理器处于暂停状态，称为“应用处理器”，即AP。,SMP的启动,概述 BP完成系统的启动，并创建起多个进程，从而可

6、以由多个CPU同时参与处理时，才启动AP，让它们在完成自身初始化以后投入运行。 一旦各个AP都已投入运行，这种暂时的主次关系便告结束，各CPU一律平等了。,SMP的启动,概述 在初始化阶段，“引导处理器”先完成自身的初始化，进入保护模式并开启页式存储管理机制，再完成系统特别是内存的初始化，然后对SMP进行初始化。,SMP的启动,SMP系统启动的过程,BP,SMP的启动,SMP系统启动的过程 BP先完成自身初始化，然后从start_kernel( )调用smp_init( )进行SMP结构初始化 smp_init( )的主体是smp_boot_cpus( )，依次调用do_boot_cpu( )

7、启动各个AP AP通过执行trampoline.S的一段跳板程序，进入startup_32( )完成一些基本初始化,SMP的启动,SMP系统启动的过程 AP进入start_secondary( )作进一步初始化工作，进入自旋（测试全局变量smp_commenced是否变成1），等待一个统一的“起跑”命令 BP完成所有AP启动后，调用smp_commence( )发出该起跑命令 每个CPU进入cpu_idle( )，等待调度,SMP的启动,相关函数介绍 smp_init( )smp_boot_cpus( ) 对BP的MTRR初始化，设置使用/不使用高速缓存，采用穿透/回写模式。 收集CPU的信息

8、，进行一些操作。如CPU逻辑号物理号映射数组的转化。BP的逻辑号总是0。 x86_apicid_to_cpu x86_cpu_to_apicid ,SMP的启动,CPU有APIC对SMP结构来说是必要条件，所以还要对BP进行是否有APIC的检查以及其初始化。setup_local_APIC( )等。 开始逐个启动各个AP。phys_cpu_present_map是个全局的CPU位图，根据此位图用一个循环依次对各个AP调用do_boot_cpu( )。,SMP的启动,smp_boot_cpus( )do_boot_cpu( ) 1. 通过fork_by_hand( )为目标CPU建立一个内核线程

9、。令idle为指向此线程task_struct的指针。实际上fork_by_hand()就是调用do_fork()，通过init_task取得指向这个task_struct数据结构的指针并赋值给idle idle=init_task.prev_task; idle-thread.eip=start_secondary; 2. 将idle-thread.eip设置指向start_secondary( )，这是AP进入正常调度的入口。,SMP的启动,3. 此时AP不能直接执行start_secondary( )，需借助跳板来一次中转，进入startup_32( )完成一些基本初始化。 setup_

10、trampoline( )的作用就是为其复制好一块跳板，返回值赋给start_eip。 start_eip= setup_trampoline( ) start_eip中的地址是低级阶段地址 idle-thread.eip是AP完成自身初始化，建立起页面映射后执行的高级阶段。,SMP的启动,do_boot_cpu( )setup_trampoline( ) trampoline.S是一段汇编代码，主要针对的是AP，使其进入保护模式. 把跳转地址设为0 x00100000(1M)，也就是系统引导以后初始化程序的起点startup_32( )地址。 把寄存器%ebx的内容设置成，表示这是一个次CP

11、U,SMP的启动,smp_boot_cpus( )do_boot_cpu( ) 4. 启动AP之前，BP通过本地APIC对AP的APIC执行一次初始化操作，就是本地APIC中的一些寄存器向目标CPU的APIC发一些信号。初始化在头尾分别把全局量init_deasserted置0与置1 5. 接着将start_eip中的初始化程序入口地址发送给目标CPU，等待其回应，此地址写入目标CPU的APIC的控制寄存器APIC_ICR 6. AP受到启动后，先进入“跳板”，进入startup_32( )执行初始化，调用函数initialize_secondary( )进一步初始化,SMP的启动,相关函数介

12、绍 startup_32initialize_secondary( ) AP在startup_32中进入BP为其准备的空转进程中，也就是自己的上下文。 此进程的thread.eip指向start_secondary( )，所以initialize_secondary( )使其跳转到start_secondary( )函数，并重新设置了堆栈指针,SMP的启动,相关函数介绍 start_secondary( ) 1. cpu_init( )对AP作进一步初始化。 cpu_init( )主要为进程调度做准备，并把全局位图cpu_initialized对应位置1，让BP知道此AP已经初始化完毕。,SM

13、P的启动,CPU之间的同步与协调 (1)全局量init_deasserted。BP为AP初始化前将init_deasserted设置为0,AP进入smp_callin( )后在一个循环中等待其成为1，保证AP在此期间不对APIC操作 (2)全局位图cpu_callout_map，AP在smp_callin( )中等待对应位变成1，BP则在do_boot_cpu( )中将目标AP对应位设1 (3)全局位图cpu_callin_map，BP在do_boot_cpu( )中向AP发出启动命令后，在一个定时循环中等待其对应位变成1，AP则在smp_callin( )结束前设置相应位为1，BP检测到或超

14、时，才从do_boot_cpu( )返回 (4)全局量smp_commenced，AP的起跑命令,SMP的启动,相关函数介绍 start_secondary( )smp_callin( ) 调用calibrate_dalay()测试CPU计算速度同步量的检测与设置 cpu_callin_map标志位设置为1 初始化Time Stamp Count时间印记 执行完smp_callin( )，等待smp_commenced变成1，进入cpu_idle( )。,SMP的启动,相关函数介绍 smp_init( )smp_boot_cpus( ) 我们回到smp_boot_cpus( )继续往下讲。 完成所有do_boot_cpu( )后，首先显示整个系统的运算能力，然后对外部APIC进行初始化，最后通过zap_low_mappings( )清除页面映射目录中的低区。,SMP的启动,相关函数介绍 smp_init( )smp_commence( ) 包括一个原子操作，将smp_commenced设置成1，此后，所有在start_secondary( )中待命的CPU结束循环，转入cpu_idle( )。 至此，关于SMP系统启动的函数及流程到此便告一段落。,Thanks ,