企業(yè)級SSD需要在大量企業(yè)數據讀寫(xiě)下保持超高穩定性，以及24 小時(shí)全天候運行，SSD的讀寫(xiě)速度、使用壽命、穩定性及可靠性是企業(yè)級用戶(hù)關(guān)注的重點(diǎn)。為滿(mǎn)足用戶(hù)對企業(yè)級SSD高性能、低延時(shí)、輕量級、高可靠等需求，憶聯(lián)設計并開(kāi)發(fā)了適合SSD的嵌入式操作系統(Operating System，縮寫(xiě)：OS)，并在其上構建了可復制性強的SSD 控制器軟件系統。

嵌入式軟件分為三個(gè)層次，即驅動(dòng)層、OS層、業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層集結了龐大復雜的產(chǎn)品功能，負責處理業(yè)務(wù)邏輯的部分，通常包括接口協(xié)議、業(yè)務(wù)功能實(shí)現、系統數據保存等；驅動(dòng)層把設備的硬件訪(fǎng)問(wèn)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(shí)現龐大復雜的軟件功能上。

圖1

通用的OS功能很多，包括處理器管理、內存管理、設備管理、文件管理、作業(yè)管理等，而對于嵌入式OS來(lái)說(shuō)，主要聚焦在處理器管理、內存管理等核心功能上，本文則重點(diǎn)闡述處理器管理、互斥、通信。

SSD系統的處理器架構和OS部署

在PCIe 4.0時(shí)，SSD的讀寫(xiě)帶寬達到8GB/s， PCIe 5.0時(shí)SSD的讀寫(xiě)帶寬可能達到16GB/s。為了實(shí)現SSD的高性能，通常SSD控制器會(huì )使用多CPU、甚至多Cluster的處理器架構，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架構下，業(yè)務(wù)部署時(shí)可以選擇SMP模式、AMP模式、或者SMP和AMP混合模式。在SSD系統里，基本上都是SMP模式和AMP模式混合，OS要負責程序調度、互斥、通信功能。在嵌入式系統中的AMP模式的通信，可以類(lèi)比為通用系統里多進(jìn)程之間的通信，因為沒(méi)有全局數據可用，要借助外部存儲空間進(jìn)行通信。

憶聯(lián)OS的調度策略

常規的OS調度對象都是線(xiàn)程，且每個(gè)線(xiàn)程有自己的堆棧和優(yōu)先級，具有搶占機制。憶聯(lián)在設計SSD嵌入式系統時(shí)，通過(guò)分析發(fā)現，線(xiàn)程調度開(kāi)銷(xiāo)大、線(xiàn)程之間存在較為復雜的互斥問(wèn)題、容易出現優(yōu)先級逆轉死鎖問(wèn)題，加之線(xiàn)程運行的隨機性和無(wú)序性，讓系統時(shí)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(入口函數及其調用的全部函數)”調度策略。為了描述方便，本文把這些可以被OS調度的“功能代碼(入口函數及其調用的全部函數)”，稱(chēng)為SSD系統里的“事務(wù)”。

在SSD系統里的程序，不再以線(xiàn)程方式組織，而是以一個(gè)個(gè)不會(huì )阻塞的獨立“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調度。

•  事務(wù)的主要特征：

（1）不會(huì )阻塞。一個(gè)事務(wù)完成一個(gè)特定的計算，它在計算過(guò)程中，不需要等待外設動(dòng)作，會(huì )一直運行到結束。如果一個(gè)流程會(huì )被阻塞，則需要在阻塞點(diǎn)切分為多個(gè)獨立的事務(wù)。一旦一個(gè)事務(wù)被CPU執行，則一定會(huì )執行到事務(wù)結束。在系統里，除了每個(gè)CPU正在執行的事務(wù)是運行狀態(tài)，其他事務(wù)都處在結束狀態(tài)。比起線(xiàn)程的阻塞狀態(tài)，事務(wù)狀態(tài)變得極其簡(jiǎn)單。

（2） 事務(wù)共享堆棧。事務(wù)執行完成時(shí)，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，調度時(shí)也沒(méi)有了堆棧切換的開(kāi)銷(xiāo)。

（3）同一個(gè)CPU，事務(wù)串行執行。一個(gè)CPU里的事務(wù)，一定是執行完畢一個(gè)事務(wù)后，才能開(kāi)始執行下一個(gè)事務(wù)。同一個(gè)事務(wù)，在一個(gè)CPU上不會(huì )重入。

（4）SMP模式下事務(wù)間互斥變得簡(jiǎn)單。見(jiàn)圖3。

圖3

備注：

（1）事務(wù)完成時(shí)，不會(huì )持有全局變量的訪(fǎng)問(wèn)鎖。

（2）AMP之間不存在全局共享數據，不存在互斥。

• 事務(wù)的調度方式

圖4

• 事務(wù)優(yōu)先級和實(shí)時(shí)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)調度請求，通過(guò)高優(yōu)先級來(lái)處理系統里一些緊急事務(wù)，以此達成特定事件的實(shí)時(shí)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(gè)CPU里事務(wù)之間不會(huì )出現搶占，只有當一個(gè)事務(wù)運行完成后，才會(huì )運行另外一個(gè)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的中斷處理流程，中斷到來(lái)時(shí)，還是會(huì )搶占當前事務(wù)。當中斷到來(lái)時(shí)，OS會(huì )把當前運行的事務(wù)程序壓棧，跳轉到中斷處理程序運行，中斷處理程序完成后，被中斷的事務(wù)程序被恢復運行。

中斷處理程序運行時(shí)也是使用事務(wù)程序運行時(shí)的堆棧。

中斷處理程序具備的搶占功能，可以滿(mǎn)足系統里對于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景，但同時(shí)也帶來(lái)了中斷和事務(wù)之間的互斥問(wèn)題。中斷和事務(wù)的互斥方式如圖六。

圖6

中斷處理程序實(shí)現時(shí)，可分為中斷上半部和下半部。上半部讀取外設數據，下半部發(fā)送事務(wù)消息到OS調度處理。中斷下半部的互斥就變成了事務(wù)之間的簡(jiǎn)單互斥方式了。中斷發(fā)給OS的事務(wù)調度消息，可以根據需要選擇使用“緊急、高、常規”優(yōu)先級。

• 中斷處理舉例：IPC中斷

一般來(lái)說(shuō)，IPC中斷用于A(yíng)MP與 CPU之間的通信。

發(fā)送方把數據寫(xiě)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里的通信數據，然后發(fā)送事務(wù)消息到自己的OS，OS按照事務(wù)進(jìn)行調度處理該事務(wù)消息。

中斷處理程序讀取DDR里的通信數據，就是中斷上半部。讀取通信數據并做具體處理，則是事務(wù)完成，是中斷的下半部。

總結

通過(guò)事務(wù)調度思路，憶聯(lián)實(shí)現了旗下企業(yè)級SSD產(chǎn)品的高性能和高可靠性，業(yè)務(wù)功能的設計、實(shí)現、擴展都變得更加簡(jiǎn)單和靈活，業(yè)務(wù)功能的代碼復用也變得更簡(jiǎn)單，這讓?xiě)浡?lián)在開(kāi)發(fā)新代次SSD時(shí)，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)可以持續為客戶(hù)提供高品質(zhì)SSD產(chǎn)品與存儲解決方案。