Группа компаний, объединенных под общим названием Bull, является одним из крупнейших производителей информационных систем на мировом компьютерном рынке и имеет свои отделения в Европе и США. Большая часть акций компании принадлежит французскому правительству. В связи с происходившей в последнем пятилетии перестройкой структуры компьютерного рынка компания объявила о своей приверженности к направлению построения открытых систем. В настоящее время компания продолжает выпускать компьютеры класса мейнфрейм (серии DPS9000/900, DPS9000/800, DPS9000/500) и среднего класса (серии DPS7000 и DPS6000), работающие под управлением фирменной операционной системы GCOS8, UNIX-системы (серии DPX/20, Escala), а также широкий ряд персональных компьютеров компании Zenith Data Systems (ZDS), входящей в группу Bull.
Активность Bull в области открытых систем сосредоточена главным образом на построении UNIX-систем. В результате технологического соглашения с компанией IBM, в 1992 году Bull анонсировала ряд компьютеров DPX/20, базирующихся на архитектуре POWER, а позднее в 1993 году на архитектуре PowerPC и работающих под управлением операционной системы AIX (версия системы UNIX компании IBM). Версия ОС AIX 4.1, разработанная совместно специалистами IBM и Bull, поддерживает симметричную многопроцесоорную обработку.
Архитектура PowerScale, представляет собой первую реализацию симметричной мультипроцессорной архитектуры (SMP), разработанной Bull специально для процессоров
PowerPC. В начале она была реализована на процессоре PowerPC 601, но легко модернизируется для процессоров 604 и 620. Эта новая SMP-архитектура используется в семействе систем Escala.
Основой архитектуры PowerPC является многокристальная архитектура POWER, которая была разработана прежде всего в расчете на однопроцессорную реализацию процессора. При разработке PowerPC для удовлетворения потребностей трех различных компаний (Apple, IBM и Motorola) в архитектуре POWER было сделано несколько изменений в следующих направлениях:
Архитектура PowerPC поддерживает ту же самую базовую модель программирования и назначение кодов операций команд, что и архитектура POWER. В тех местах, где были сделаны изменения, которые могли потенциально нарушить двоичную совместимость с приложениями, написанными для архитектуры POWER, были расставлены "ловушки", обеспечивающие прерывание и эмуляцию с помощью программных средств. Такие изменения вводились, естественно, только в тех случаях, если соответствующая возможность либо использовалась не очень часто в кодах прикладных программ, либо была изолирована в библиотечных программах, которые можно просто заменить.
Микропроцессор PowerPC поддерживает мультипроцессорную обработку, в частности, модель тесно связанных вычислений в разделяемой (общей) памяти. Работа тесно связанных процессоров предполагает использование разными процессорами одной общей памяти и одной операционной системы, которая управляет всеми процессорами и аппаратурой системы. Процессоры должны конкурировать за разделяемые ресурсы.
В симметричной мультипроцессорной системе все процессоры считаются функционально эквивалентными и могут выполнять операции ввода/вывода и другие вычисления. Возможности управления подобной системой с разделяемой памятью реализованы в ОС AIX 4.1.
Разработанное Bull семейство Escala обеспечивает масштабируемость и высокую готовность систем, центральным местом которых является симметричная мультипроцессорная архитектура, названная PowerScale, позволяющая производить постепенную модернизацию и объединять в системе от 1 до 8 процессоров.
По определению симметричная мультипроцессорная обработка (SMP) является архитектурой, в которой несколько процессоров разделяют доступ к единственной общей памяти и работают под управлением одной копии операционной системы. В этом случае задания могут соответствующим образом планироваться для работы на разных процессорах в пределах "пула имеющихся ресурсов", допуская распараллеливание, поскольку несколько процессов в такой системе могут выполняться одновременно.
Главным преимуществом архитектуры SMP по сравнению с другими подходами к реализации мультипроцессорных систем является прозрачность для программных приложений. Этот фактор существенно улучшает время выхода на рынок и готовность традиционных коммерческих приложений на системах SMP по сравнению с другими мультипроцессорными архитектурами.
В современных системах SMP наиболее актуальным вопросом разработки является создание высокопроизводительной подсистемы памяти для обеспечения высокоскоростных RISC-процессоров данными и командами. Общее решение этой проблемы заключается в использовании большой высокоскоростной кэш-памяти, т.е. в создании иерархии памяти между процессорами и разделяемой глобальной памятью. Архитектура PowerScale предлагает новый подход к решению вопросов традиционного узкого горла, ограничивающего производительность SMP-систем, а именно, новую организацию управления кэш-памятью и доступа к памяти.
PowerScale представляет собой высоко оптимизированную разработку, которая является результатом интенсивных исследований параметров производительности современных коммерческих приложений. Обычно выполнение этих прикладных систем связано с необходимостью манипулирования огромными объемами данных и разделения доступа к этим данным между многими пользователями или программами. Такого рода рабочая нагрузка характеризуется наличием больших рабочих наборов данных с низким уровнем локализации. При моделировании прикладных систем подобного профиля на системах SMP, были замечены два особых эффекта:
В традиционной SMP-архитектуре связи между кэшами ЦП и глобальной памятью реализуются с помощью общей шины памяти, разделяемой между различными процессорами. Как правило, эта шина становится слабым местом конструкции системы и стремится к насыщению при увеличении числа инсталлированных процессоров. Это происходит потому, что увеличивается трафик пересылок между кэшами и памятью, а также между кэшами разных процессоров, которые конкурируют между собой за пропускную способность шины памяти. При рабочей нагрузке, характеризующейся интенсивной обработкой транзакций, эта проблема является даже еще более острой.
В архитектуре PowerScale компании Bull интерфейс памяти реализован с учетом указанного выше профиля приложений и рассчитан на использование нескольких поколений процессоров со все возрастающей производительностью. В действительности архитектура PowerScale с самого начала была разработана в расчете на поддержку до 8 процессоров PowerPC 620.
В архитектуре PowerScale (рис. 4.1) основным средством оптимизации доступа к разделяемой основной памяти является использование достаточно сложной системной шины. В действительности эта "шина" представляет собой комбинацию шины адреса/управления, реализованной классическим способом, и набора магистралей данных, которые соединяются между собой посредством высокоскоростного матричного коммутатора. Эта система межсоединений получила название MPB_SysBus. Шина памяти используется только для пересылки простых адресных тегов, а неблокируемый матричный коммутатор - для обеспечения более интенсивного трафика данных. К матричному коммутатору могут быть подсоединены до 4 двухпроцессорных портов, порт ввода/вывода и подсистема памяти.
Главным преимуществом такого подхода является то, что он позволяет каждому процессору иметь прямой доступ к подсистеме памяти. Другим важным свойством реализации является использование расслоения памяти, что позволяет многим процессорам обращаться к памяти одновременно.
Ниже приведена схема, иллюстрирующая общую организацию доступа к памяти (рис. 4.2) Каждый процессорный модуль имеет свой собственный выделенный порт памяти для пересылки данных. При этом общая шина адреса и управления гарантирует, что на уровне системы все адреса являются когерентными.
Вопросы балансировки нагрузки
В процессе разработки системы был сделан выбор в направлении использования больших кэшей второго уровня (L2), дополняющих кэши первого уровня (L1), интегрированные в процессорах PowerPC. Это решение породило необходимость более глубокого рассмотрения работы системы в целом. Чтобы получить полное преимущество от использования пространственной локальности данных, присутствующих в кэшах L2, необходимо иметь возможность снова назначить ранее отложенный процесс на процессор, на котором он ранее выполнялся, даже если этот процессор не является следующим свободным процессором. Подобная "настройка" системы является основой для балансировки нагрузки и аналогична процессу планирования.