В архитектуре PowerScale (Рис. 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. 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.
В системе используются большие кэши второго уровня (L2), дополняющие кэши первого уровня (L1), интегрированные в процессорах PowerPC. Это позволяет оптимизировать уровень миграции процессов между процессорами и увеличивает общую пропускную способность системы. Очевидно, что всегда полезно выполнять процесс на одном и том же процессоре и иметь более высокий коэффициент попаданий в кэш, чем при выполнении процесса на следующем доступном процессоре. Используя алгоритмы, базирующиеся на средствах ядра системы, можно определить наиболее подходящее использование пула процессоров с учетом текущего коэффициента попаданий в кэш.
Рис. 1. Архитектура PowerScale
Рис. 2. Схема организации доступа к памяти
Модель памяти
Процессор PowerPC определяет слабо упорядоченную модель памяти, которая позволяет оптимизировать использование пропускной способности памяти системы. Это достигается за счет того, что аппаратуре разрешается переупорядочивать операции загрузки и записи так, что требующие длительного времени операции загрузки могут выполняться ранее определенных операций записи. Такой подход позволяет уменьшить действительную задержку операций загрузки. Архитектура PowerScale полностью поддерживает эту модель памяти как на уровне процессора за счет набора команд PowerPC, так и глобально путем реализации следующих ограничений:
Для обеспечения подобной модели упорядоченных обращений к памяти на уровне каждого процессора системы используются определенная аппаратная поддержка и явные команды синхронизации. Кроме того, на системном уровне соблюдение необходимых протоколов для обеспечения упорядочивания обращений между процессорами или между процессорами и подсистемой ввода/вывода возложено на программное обеспечение.
Подсистема памяти
С реализацией архитектуры глобальной памяти в мультипроцессорной системе обычно связан очень важный вопрос. Как объединить преимущества "логически" локальной для каждого процессора памяти, имеющей малую задержку доступа, с требованиями реализации разделяемой глобальной памяти?
Компания Bull разработала патентованную архитектуру, в которой массив памяти полностью расслоен до уровня длины строки системного кэша (32 байта). Такая организация обеспечивает минимум конфликтов между процессорами при работе подсистемы памяти и гарантирует минимальную задержку. Требование реализации глобальной памяти обеспечивается тем, что массив памяти для программных средств всегда представляется непрерывным.
Предложенная конструкция решает также проблему, часто возникающую в других системах, в которых использование методов расслоения для организации последовательного доступа к различным областям памяти возможно только, если платы памяти устанавливаются сбалансировано. Этот, кажущийся тривиальным, вопрос может приводить к излишним закупкам дополнительных ресурсов и связан исключительно с возможностями конструкции системы. PowerScale позволяет обойти эту проблему.
Архитектура PowerScale автоматически оптимизирует степень расслоения памяти в зависимости от того, какие платы памяти инсталлированы в системе. В зависимости от конкретной конфигурации она будет использовать низкую или высокую степень расслоения или их комбинацию. Все это полностью прозрачно для программного обеспечения и, что более важно, для пользователя.
Архитектура матричного коммутатора
Архитектура коммутатора реализована с помощью аппаратной сети, которая осуществляет индивидуальные соединения типа точка-точка процессора с процессором, процессора с основной памятью и процессора с магистралью данных ввода/вывода. Эта сеть работает совместно с разделяемой адресной шиной. Такой сбалансированный подход позволяет использовать лучшие свойства каждого из этих методов организации соединений.
Разделяемая адресная шина упрощает реализацию наблюдения (snooping) за адресами, которое необходимо для аппаратной поддержки когерентности памяти. Адресные транзакции конвейеризованы, выполняются асинхронно (расщеплено) по отношению к пересылкам данных и требуют относительно небольшой полосы пропускания, гарантируя, что этот ресурс никогда не войдет в состояние насыщения.
Организация пересылок данных требует больше внимания, поскольку уровень трафика и время занятости ресурсов физического межсоединения здесь существенно выше, чем это требуется для пересылки адресной информации. Операция пересылки адреса представляет собой одиночную пересылку, в то время как операция пересылки данных должна удовлетворять требованию многобайтной пересылки в соответствии с размером строки кэша ЦП. При реализации отдельных магистралей данных появляется ряд дополнительных возможностей, которые обеспечивают:
На Рис. 3 показаны основные режимы и операции, выполняемые матричным коммутатором(ССA2 - сдвоенный контроллер адресов кэш-памяти; CCD2 - сдвоенный контроллер данных кэш-памяти; IOD - дочерняя плата ввода/вывода; DCB - матричный коммутатор данных; SMC - контроллер системной памяти ).
Рис. 4.3. Матричный коммутатор.
Параметры производительности
Вслед за установочной фазой транзакции (например, после установки адреса на адресной шине) данные могут пересылаться через коммутатор на полной скорости синхронизации. Это возможно благодаря организации соединению точка-точка, которое создается для каждой отдельной транзакции. Поэтому в дальнейшем какие-либо помехи отсутствуют. Возможно также выполнять параллельно несколько операций, например, множественный доступ к памяти или пересылки между кэшами.
Для того чтобы уменьшить задержку памяти, операции чтения начинаются до выполнения каких-либо действий по обеспечению глобальной когерентности на уровне системы. Ответы когерентности полностью синхронизированы, разрешаются за фиксированное время и поступают всегда прежде, чем будет захвачен разделяемый ресурс - шина памяти. Это помогает избежать ненужных захватов шины. Любые транзакции, которые не разрешаются когерентно за данное фиксированное время, позднее будут повторены системой.
Используемая в системе внутренняя частота синхронизации равна 75 МГц, что позволяет оценить уровень производительности разработанной архитектуры. Интерфейс физической памяти имеет ширину 32 байта и, учитывая арбитраж шины, позволяет пересылать 32 байта каждые 3 такта синхронизации. Это дает скорость передачи данных 800 Мбайт/с, поддерживаемую на уровне интерфейса памяти. Каждый порт ЦП имеет ширину 8 байт и способен передавать по 8 байт за такт, т.е. со скоростью 600 Мбайт/с. Следует отметить, что это скорость, достигаемая как при пересылке ЦП-память, так и при пересылке кэш-кэш. Скорость 800 Мбайт/с для памяти поддерживается с помощью буферов в коммутаторе, которые позволяют конвейеризовать несколько операций.
Пропускная способность может достигать пикового значения 1400 Мбайт/с. Таким образом, максимальная пропускная способность будет варьироваться в диапазоне от 800 до 1400 Мбайт/с в зависимости от коэффициента попаданий кэш-памяти.
Когерентность кэш-памяти
Проблема когерентности памяти в мультипроцессорной системе возникает из-за того, что значение элемента данных, хранящееся в кэш-памяти разных процессоров, доступно этим процессорам только через их индивидуальные кэши. При этом определенные операции одного из процессоров могут влиять на достоверность данных, хранящихся в кэшах других процессоров. Поэтому в подобных системах жизненно необходим механизм обеспечения когерентного (согласованного) состояния кэшей. С этой целью в архитектуре PowerScale используется стратегия обратной записи, реализованная следующим образом.