Symmetrisches Multiprozessorsystem

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Ein Symmetrisches Multiprozessorsystem (SMP) ist ein System mit einem oder mehreren identischen Prozessoren. Im Gegensatz zu NUMA-Systemen sind alle Prozessoren auf gleiche Art und Weise mit dem Hauptspeicher verbunden, d.h. es gibt für keinen Prozessor einen von der Geschwindigkeit her bevorzugten/benachteiligten Speicherbereich im Hauptspeicher.

Intel Multiprocessor Specification

Die Intel Multiprocessor Specification ist ein Standard für x86- und x86-64-basierte, symmetrische Multiprozessorsysteme und ist abwärtskompatibel mit existierenden x86- und x86-64-Uniprozessorsystemen. Die Spezifikation beschreibt einerseits die Anforderungen an die Hardware und das BIOS, und andererseits die Schritte, die notwendig sind, um mit einem Betriebssystem den Geschwindigkeitsvorteil mehrerer Prozessoren nutzbar zu machen.

Unterteilung der Prozessoren

Beim Start eines Intel-basierten Rechners ist ein Prozessor dafür zuständig, alle Initialisierungen vorzunehmen und schließlich ein Betriebssystem zu booten, wie es auch auf Intel-Uniprozessorsystemen der Fall ist. Dieser Prozessor wird Bootstrap Processor (BSP) genannt, alle anderen Prozessoren heißen Application Processors (AP). Die letzteren werden erst aktiviert, wenn das Betriebssystem startet. Das bedeutet, dass die Unterstützung für SMP im Betriebssystem programmiert sein muss, weil die APs sonst im Ruhezustand bleiben und der Rechner somit nur wie ein Uniprozessor-System genutzt werden kann.

Floating Pointer Structure

Der erste Schritt dahingehend ist das Auffinden der Floating Pointer Structure. Diese Struktur wird vom BIOS erstellt und falls sie existiert ist dieses System zur Intel Multiprocessor Specification kompatibel.

Aufbau

Die Floating Pointer Structure liegt an einer 16-Byte Grenze im Speicher und sieht folgendermaßen aus:


SMPFloatingPointer.png
Floating Pointer Structure


Feld Beschreibung
Signatur Die Signatur enthält die nicht nullterminierte ASCII-Zeichenkette "_MP_"
physische Adresse Enthält die physische Adresse der Configuration Table oder 0x00000000, falls dieses System einer der Default Configurations entspricht.
Länge Die Größe der Struktur in 16-Byte großen Abschnitten.
Revision Die Revision der Intel Multiprocessor Specification. Der Wert 0x01 steht für die Version 1.1 und 0x04 für Version 1.4.
Checksum siehe Auffinden der Struktur
Featurebyte 0 Der Wert 0x00 gibt an, dass eine Configuration Table vorhanden ist. Jeder andere Wert steht für eine der Default Configurations.
Featurebyte 1 Bit 0-6: reserviert
Bit 7 (IMCRP): Falls dieses Bit gesetzt ist, ist das IMCR präsent und der PIC Mode implementiert. Andernfalls ist der Virtual Wire Mode implementiert.
Featurebyte 2-4 reserviert

Auffinden der Struktur

Die Floating Pointer Structure wird anhand der 4 Signaturbytes und der Checksumme identifiziert. Die Prüfsumme wird berechnet, indem man alle Bytes (inklusive des Feldes Checksum) der Struktur aufaddiert. Das Ergebnis dieser Berechnung muss 0x00 sein. Die Struktur befindet sich in mindestens einem der folgenden Speicherbereiche:

  • In dem ersten Kilobyte der Extended BIOS Data Area
  • In dem letzten Kilobyte des Hauptspeichers unterhalb der 1MiB Marke (Die Größe des Basisspeichers steht an Offset 0x13 in der BIOS Data Area), wenn die Adresse der Extended BIOS Data Area nicht definiert ist.
  • Im Adressraum des BIOS ROM (0xF0000 - 0xFFFFF)

Die Speicherbereiche sind in exakt dieser Reihenfolge zu durchsuchen.

Configuration Table

Default Configuration

Default Configurations sind vordefinierte Multiprozessorkonfigurationen für Systeme mit genau zwei Prozessoren.


Featurebyte 0 Bus APIC-Typ Sonstiges
1 ISA 82489DX
2 EISA 82489DX IRQ0-Timer und DMA-Chaining nicht verfügbar
3 EISA 82489DX
4 MCA 82489DX
5 ISA + PCI Integrated
6 EISA + PCI Integrated
7 MCA + PCI Integrated
8-255 Reserviert

Besonderheiten bei der Programmierung

Multiprozessorsynchronisation (TSL-Instruktion)

Um auf Uniprozessorsystemen effizient wechselseitigen Ausschluss (Mutex) zu implementieren, wird üblicherweise die xchg-Instruktion verwendet (oder passende API-Funktionen wie InterlockedExchange unter Windows). Architekturübergreifend wird diese Instruktion als TSL (Test and Set Lock) oder auch TSTS (Test and Set) bzw. TAS (Test and Set) bezeichnet. Dabei liest man mit der Instruktion den alten Wert z.B. in ein Register und schreibt den neuen Wert in den Speicher (z.B. 0 = Mutex verfügbar, 1 = Mutex gelockt). Die Instruktion ist atomar, d.h. kann nicht unterbrochen werden (CPU führt immer ganze Instruktionen aus!). Da Instruktionen echt gleichzeitig ausgeführt werden können (anstatt hintereinander bei Uniprozessorsystemen), muss diese Instruktion auf Multiprozessorsystemen ebenfalls atomar sein.

Eine fehlerhafte Mutex-Implementierung mit nicht-atomaren Operationen könnte z.B. so aussehen:

  • Der Mutex sei freigegeben (= 0), es kann also ein Prozess in den kritischen Abschnitt eintreten, wenn er den Mutex lockt (d.h. auf 1 setzt)
  • Nun wollen zwei Threads/Prozesse, die auf verschiedenen CPUs ausgeführt werden, etwa gleichzeitig den Mutex für sich locken
  • Thread #1 auf CPU #1 liest die Speicherstelle = 0
  • Thread #2 auf CPU #2 liest ebenfalls die Speicherstelle = 0
  • Thread #1 auf CPU #1 überschreibt den Speicher mit 1 und gibt als alten Wert die gelesene 0 zurück
  • Thread #2 auf CPU #2 überschreibt den Speicher nochmals mit 1 und gibt als alten Wert die gelesene 0 zurück

Nun ist eine Race Condition aufgetreten: Beide Threads/Prozesse denken nun, dass der Mutex vorher nicht gelockt war und sie nun als einziger Thread/Prozess im kritischen Bereich arbeiten werden. Ganz offensichtlich arbeiten aber in diesem Beispiel nun beide in dem kritischen Abschnitt.

Aus diesem Grund wird zur Implementierung die TSL-Instruktion verwendet. Sie ist auch auf SMP-Systemen atomar (vgl. Intel Spezifikation, S. 3-714), d.h. der sogenannte lock-Präfix wird implizit angenommen, wenn bei der xchg-Instruktion eine Speicherstelle verwendet wird. Der Präfix kann auch explizit angegeben werden - er bewirkt, dass der Speicherbus während der nächsten Instruktion gesperrt wird.

Ein Beispiel für eine simple 32-Bit-TSL-Funktion: <asm>; uint32_t tsl(uint32_t *ptr, uint32_t newValue) _tsl:

   push ebx
   mov eax, [esp+12]
   mov ebx, [esp+8]
   xchg eax, [ebx]
   pop ebx
   ret</asm>

siehe auch

Weblinks