企業(yè)級SSD需要在大量企業(yè)數(shù)據(jù)讀寫下保持超高穩(wěn)定性，以及24 小時全天候運(yùn)行，SSD的讀寫速度、使用壽命、穩(wěn)定性及可靠性是企業(yè)級用戶關(guān)注的重點。為滿足用戶對企業(yè)級SSD高性能、低延時、輕量級、高可靠等需求，憶聯(lián)設(shè)計并開發(fā)了適合SSD的嵌入式操作系統(tǒng)(Operating System，縮寫：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層次，即驅(qū)動層、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)功能實現(xiàn)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存等；驅(qū)動層把設(shè)備的硬件訪問抽象成軟件接口，為OS層和業(yè)務(wù)層服務(wù)；OS層為業(yè)務(wù)層提供軟件平臺服務(wù)，讓業(yè)務(wù)層可以聚焦在實現(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，而對于嵌入式OS來說，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，SSD的讀寫帶寬達(dá)到8GB/s， PCIe 5.0時SSD的讀寫帶寬可能達(dá)到16GB/s。為了實現(xiàn)SSD的高性能，通常SSD控制器會使用多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，因為沒有全局?jǐn)?shù)據(jù)可用，要借助外部存儲空間進(jìn)行通信。

憶聯(lián)OS的調(diào)度策略

常規(guī)的OS調(diào)度對象都是線程，且每個線程有自己的堆棧和優(yōu)先級，具有搶占機(jī)制。憶聯(lián)在設(shè)計SSD嵌入式系統(tǒng)時，通過分析發(fā)現(xiàn)，線程調(diào)度開銷大、線程之間存在較為復(fù)雜的互斥問題、容易出現(xiàn)優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)死鎖問題，加之線程運(yùn)行的隨機(jī)性和無序性，讓系統(tǒng)時刻處于“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，而是以一個個不會阻塞的獨(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）不會阻塞。一個事務(wù)完成一個特定的計算，它在計算過程中，不需要等待外設(shè)動作，會一直運(yùn)行到結(jié)束。如果一個流程會被阻塞，則需要在阻塞點切分為多個獨(dú)立的事務(wù)。一旦一個事務(wù)被CPU執(zhí)行，則一定會執(zhí)行到事務(wù)結(jié)束。在系統(tǒng)里，除了每個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)變得極其簡單。

（2） 事務(wù)共享堆棧。事務(wù)執(zhí)行完成時，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)度時也沒有了堆棧切換的開銷。

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

（4）SMP模式下事務(wù)間互斥變得簡單。見圖3。

圖3

備注：

（1）事務(wù)完成時，不會持有全局變量的訪問鎖。

（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)先級和實時性

一次性事務(wù)具有事務(wù)優(yōu)先級功能。OS接受一次性事務(wù)調(diào)度請求，通過高優(yōu)先級來處理系統(tǒng)里一些緊急事務(wù)，以此達(dá)成特定事件的實時處理。

圖5

• 中斷與事務(wù)

前面已經(jīng)講述在憶聯(lián)OS里，同一個CPU里事務(wù)之間不會出現(xiàn)搶占，只有當(dāng)一個事務(wù)運(yùn)行完成后，才會運(yùn)行另外一個事務(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，中斷到來時，還是會搶占當(dāng)前事務(wù)。當(dāng)中斷到來時，OS會把當(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)行時也是使用事務(wù)程序運(yùn)行時的堆棧。

中斷處理程序具備的搶占功能，可以滿足系統(tǒng)里對于實時性要求高的場景，但同時也帶來了中斷和事務(wù)之間的互斥問題。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，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。

• 中斷處理舉例：IPC中斷

一般來說，IPC中斷用于AMP與 CPU之間的通信。

發(fā)送方把數(shù)據(jù)寫入共享的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)

通過事務(wù)調(diào)度思路，憶聯(lián)實現(xiàn)了旗下企業(yè)級SSD產(chǎn)品的高性能和高可靠性，業(yè)務(wù)功能的設(shè)計、實現(xiàn)、擴(kuò)展都變得更加簡單和靈活，業(yè)務(wù)功能的代碼復(fù)用也變得更簡單，這讓憶聯(lián)在開發(fā)新代次SSD時，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)品與存儲解決方案。

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