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異構(gòu)算力(大小核)處理器
Intel 2021 架構(gòu)日活動(dòng)中，首次公布了新一代處理器在 PC 平臺(tái)上使用大小異質(zhì)核心（Intel 稱之為 P-Core 與 E-Core ）的設(shè)計(jì)架構(gòu)，類似 ARM 平臺(tái)的 Big.LITTLE 大小異質(zhì)核心機(jī)制，Intel 將 “小核” 命名為效率核心（Efficient-Core），“大核” 稱為性能核心（Performance-Core），“小核” 會(huì)被用于處理后臺(tái)低運(yùn)算量的任務(wù)，以此實(shí)現(xiàn)降低能耗，“大核” 用于前臺(tái)或高運(yùn)算量的任務(wù)而保證性能。Windows 11 是最早適配該架構(gòu)的 CPU，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制。之后 Linux 核心計(jì)劃在版本 5.16 也對(duì)此進(jìn)行適配并修復(fù)部分異常問題。
此系列處理器采用英特爾第三代 10 納米制程制造，采用兩個(gè)全新的核心微架構(gòu)，分別為高性能的大核心 Golden Cove 與高效能的小核心 Gracemont 的架構(gòu)。Alder Lake 將取代上一代的 Tiger Lake 系列處理器。由英特爾在 2021 年 10 月 27 日發(fā)布，2021 年 11 月 4 日正式推出，非 K 系列處理器在 2022 年 1 月 4 日正式推出。
趨勢(shì)
隨著 Intel 與 ARM 相繼為不同市場(chǎng)推出大小核處理器產(chǎn)品，大小核架構(gòu)已成普及化趨勢(shì)，國內(nèi)方面：?飛騰 E2000 采用 “兩大兩小”?四核心異構(gòu)算力簇設(shè)計(jì)，龍芯計(jì)劃推出的新一代處理器也將使用大小核架構(gòu)設(shè)計(jì)。目前通用操作系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)不同用途與場(chǎng)景設(shè)計(jì)了專門的調(diào)度器，而這些系統(tǒng)對(duì)大小核調(diào)度的實(shí)時(shí)性并無太多優(yōu)化，如移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域更多考慮的是電池續(xù)航能力，從而導(dǎo)致大小核系統(tǒng)關(guān)鍵任務(wù)實(shí)時(shí)性抖動(dòng)較大。
而專業(yè)的商用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)目前尚未有一款具備滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)支持大小核能耗與算力調(diào)度的產(chǎn)品發(fā)布，目前這種情況將成為歷史。近日翼輝發(fā)布 SylixOS V3.1.1 內(nèi)核源代碼，此版本包含完整的異構(gòu)多算力簇調(diào)度支持，同時(shí)滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性計(jì)算要求，成為全球首個(gè)支持大小核調(diào)度的強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。?
實(shí)現(xiàn)
SylixOS 對(duì)大小核調(diào)度的支持分為兩部分：“核算力簇親和調(diào)度”與“算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器”， 簡(jiǎn)單的說前者為后者的工作提供支撐?！皟?nèi)核算力簇親和調(diào)度”?實(shí)現(xiàn)了被調(diào)度任務(wù)與不同的算力核心可控親和度調(diào)度；“算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器”是一個(gè)內(nèi)核模塊，它精確測(cè)量各任務(wù)對(duì)算力的使用與需求，實(shí)時(shí)對(duì) CPU 總算力進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，使應(yīng)用程序無感使用大小核架構(gòu)處理器系統(tǒng)。?
內(nèi)核算力簇親和調(diào)度
SylixOS 為每個(gè)任務(wù)提供了多種模式的可控親和度設(shè)置能力，?以大小核兩個(gè)算力簇為例：
如果一個(gè) CPU 存在兩個(gè)以上算力簇, 例如: 某 ARM 處理器包括“大中小”?三個(gè)異構(gòu)算力簇，SylixOS 也采用上述類似的方法支持：傾向使用中等算力核心?和?僅使用中等算力核心?。
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以上幾種調(diào)度親和模型在 SylixOS 操作系統(tǒng)上是可以被用戶靈活設(shè)置的，SylixOS 為應(yīng)用程序提供了以下 API 用于實(shí)時(shí)改變?nèi)蝿?wù)大小核調(diào)度模式：
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#include特權(quán)態(tài)程序完全可以控制自己對(duì) CPU 的算力親和，方便程序達(dá)到最佳狀態(tài)。其中?PTHREAD_HETRCC_STRONG_AFFINITY?類算力親和可以繼承給自己的子線程，例如任務(wù)如果使用?OpenMP?設(shè)計(jì)并行算法，可以使用此方法讓這些并行子線程運(yùn)行在強(qiáng)算力核心上達(dá)到最佳計(jì)算性能。 ?#define PTHREAD_HETRCC_NON_AFFINITY ... #define PTHREAD_HETRCC_WEAK_AFFINITY ... #define PTHREAD_HETRCC_STRONG_AFFINITY ... LW_API int pthread_sethetrcc_np(pthread_t thread, int mode, unsigned int cluster); LW_API int pthread_gethetrcc_np(pthread_t thread, int *mode, unsigned int *cluster);
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cluster?參數(shù)指定了不同的算力簇，編號(hào)從?0?開始，編號(hào)越小算力越低?？梢允褂靡韵?API 獲取當(dāng)前處理器異構(gòu)算力簇情況：
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#includesysconf(_SC_HETRCC_CONF)?返回系統(tǒng)中算力簇的個(gè)數(shù)，例如兩個(gè)算力簇的大小核處理器將返回?2，sysconf(_SC_HETRCC_ONLN)?返回系統(tǒng)中在線 (激活) 的算力簇個(gè)數(shù)。#define _SC_HETRCC_CONF ... #define _SC_HETRCC_ONLN ... LW_API long ?sysconf(int name);
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SylixOS 在提供算力簇親和的同時(shí)，也具備指定 CPU 親和設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)接口：?
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#include需要說明的是?pthread_setaffinity_np?設(shè)置優(yōu)先級(jí)高于?pthread_sethetrcc_np?，一旦某任務(wù)同時(shí)存在算力簇親和度設(shè)置與 CPU 核心親和度設(shè)置，SylixOS 會(huì)按照?pthread_setaffinity_np?指定的 CPU 進(jìn)行 CPU 核心親和度調(diào)度而忽略算力簇親和度設(shè)置。#define CPU_SET(n, p) ? ... #define CPU_CLR(n, p) ? ... #define CPU_ISSET(n, p) ... #define CPU_ZERO(p) ? ? ... LW_API int ?pthread_setaffinity_np(pthread_t ?thread, size_t setsize, const cpu_set_t *set); LW_API int ?pthread_getaffinity_np(pthread_t ?thread, size_t setsize, cpu_set_t *set);
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為了滿足關(guān)鍵任務(wù)強(qiáng)實(shí)時(shí)性調(diào)度需求，SylixOS 也提供了指定 CPU 核心僅運(yùn)行親和設(shè)置后任務(wù)的能力 (不運(yùn)行自由調(diào)度屬性任務(wù))?？杀ＷC關(guān)鍵實(shí)時(shí)任務(wù)可隨時(shí)得到指定 CPU 核心立即響應(yīng)的能力：
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#include以上 API 僅對(duì)?pthread_setaffinity_np?親和任務(wù)有效，對(duì)?pthread_sethetrcc_np?無效。用戶應(yīng)用程序可適當(dāng)使用這些 API 提供的組合調(diào)度邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì) CPU 核心算力調(diào)度的精確控制, 更好發(fā)揮 SylixOS 系統(tǒng)的可控強(qiáng)實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。以上算法在 SylixOS 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)層面均為時(shí)間復(fù)雜度 O(1) 設(shè)計(jì)，擁有良好的時(shí)間確定性。LW_API int ?sched_cpuaffinity_set_np(size_t setsize, const cpu_set_t *set); LW_API int ?sched_cpuaffinity_get_np(size_t setsize, cpu_set_t *set);
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特點(diǎn):?Windows, Linux 等操作系統(tǒng)將任務(wù)類型與其優(yōu)先級(jí)作為親和調(diào)度策略的重要參數(shù)使用，而 SylixOS 與之設(shè)計(jì)不同，SylixOS 認(rèn)為任務(wù)優(yōu)先級(jí)與算力需求是兩個(gè)維度的需求，優(yōu)先級(jí)代表任務(wù)的緊急程度，緊急的任務(wù)未必需要強(qiáng)大的算力，而需要強(qiáng)算力的任務(wù)，如 AI、多媒體、3D 等運(yùn)算任務(wù)往往對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求并不太高，所以 SylixOS 大小核調(diào)度首要原則與實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求保持不變：基于優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度，同時(shí)滿足不同算力需求的任務(wù)運(yùn)行在合適的處理器核心上。
算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器
上面介紹的“內(nèi)核算力簇親和調(diào)度”需要用戶手動(dòng)調(diào)整任務(wù)算力親和，而 SylixOS 提供的 “算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器”則為用戶提供了全自動(dòng)化的動(dòng)態(tài)算力調(diào)度能力，用戶可無感的在大小核架構(gòu)上運(yùn)行各種應(yīng)用程序。
“算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器”基本原則：
不降低實(shí)時(shí)性：自動(dòng)調(diào)度不做核心限制，不向功耗妥協(xié)太多，必須保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)有合適的 CPU 核心使用。
避免激進(jìn)遷移：算力感知與遷移逐級(jí)遞進(jìn), 避免出現(xiàn)多算力簇顛簸, 盡量保證 CPU 核心 Cache 熱度。
避免 "小核有難大核圍觀"：自動(dòng)調(diào)度器實(shí)現(xiàn)了 “聯(lián)賽升降級(jí)”算法，保證在低算力簇利用率達(dá)極限時(shí)，算力閾值調(diào)度帶來的錯(cuò)誤判斷問題。
使用以下命令注冊(cè) “算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器”：?
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>?insmod?/lib/modules/xhcesa.koxhcesa.ko??在初始化時(shí)會(huì)使用自己的方法動(dòng)態(tài)測(cè)量 CPU 各算力簇實(shí)際算力情況，用戶可以在? /proc/kernel/cpu_hetrcc? 文件查看? xhcesa.ko? 測(cè)量的 CPU 各算力簇算力與?物理算力拓?fù)?/strong>?情況。例如：?
> cat /proc/kernel/cpu_hetrcc CPU ID HETRCC ?COMPOW ?ACTIVE ------ ------ -------- ------ ? ? 0 ? ? ?0 ? ? ?400 YES ? ? 1 ? ? ?0 ? ? ?400 YES ? ? 2 ? ? ?1 ? ? ?810 YES ? ? 3 ? ? ?1 ? ? ?810 YES以上內(nèi)容表示 CPU?0?號(hào)核心與?1?號(hào)核心屬于?0?號(hào)算力簇，算力為?400，CPU?2?號(hào)核心與?3?號(hào)核心屬于?1?號(hào)算力簇，算力為?810。 如果用戶認(rèn)為?xhcesa.ko?測(cè)量的算力比例不準(zhǔn)確，則可以在注冊(cè)此內(nèi)核模塊之前，使用以下環(huán)境變量，精確標(biāo)注 CPU 各算力簇算力指標(biāo)，例如某處理器有兩個(gè)算力簇，?0?號(hào)算力簇算力為?400?，?1?號(hào)算力簇為?700?，?則可以進(jìn)行如下設(shè)置：
>?HETRCC_COMPOW=400,700?
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注意:?每個(gè) CPU 算力簇算力標(biāo)注不能超過?1024?，設(shè)置時(shí)可以按比例均減。
?xhcesa.ko?內(nèi)核模塊一旦完成注冊(cè)，則算力感知自動(dòng)調(diào)度就自動(dòng)開始工作，實(shí)時(shí)工作情況可以通過?/proc/kernel/hetrcc?文件查看：?
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> cat /proc/kernel/hetrcc
NAME TID PID PRI CPU HETRCC AFFINITY
---------------- ------- ----- --- --- ------ --------
app??????????????4010031?????2?200???8??????2?WEAK
app??????????????4010032?????3?200??11??????2?WEAK
app??????????????4010033?????4?200??10??????2?WEAK
以上內(nèi)容表示當(dāng)前有三個(gè)任務(wù)被設(shè)置為算力簇?2?WEAK 親和，當(dāng)算力簇?2?的 CPU 核心有機(jī)會(huì)運(yùn)行這三個(gè)任務(wù)時(shí)，這三個(gè)任務(wù)會(huì)優(yōu)先運(yùn)行在算力簇?2?的 CPU 核心上，但 WEAK 親和僅僅是傾向性親和，如果這三個(gè)任務(wù)就緒了，當(dāng)?2?號(hào)算力簇沒有執(zhí)行條件時(shí) (例如有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在運(yùn)行)，SylixOS 為保證實(shí)時(shí)性，會(huì)將這三個(gè)任務(wù)在小核心算力簇上按照優(yōu)先級(jí)搶占原則進(jìn)行調(diào)度。
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隨著程序的運(yùn)行，“算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器”?會(huì)對(duì)任務(wù)使用 CPU 算力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并根據(jù)相關(guān)算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，/proc/kernel/hetrcc?文件將會(huì)反應(yīng)當(dāng)前算力調(diào)度情況，需要說明的是：為了避免“算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器”與用戶自行設(shè)計(jì)的調(diào)度邏輯產(chǎn)生沖突，同時(shí)為保證每個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性，目前自動(dòng)調(diào)度策略只會(huì)使用 WEAK 類親和，其他用戶可知的強(qiáng)算力需求任務(wù)，用戶可以使用 API 進(jìn)行 STRONG 類型強(qiáng)親和設(shè)置，或者通過?hetrcc?命令進(jìn)行設(shè)置：?
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> hetrcc tid weak|strong cluster
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SMT 同步多線程 (HT 超線程)
SylixOS 調(diào)度器可動(dòng)態(tài)感知擁有超線程能力的處理器物理 CPU 拓?fù)洌⑦M(jìn)行相關(guān)優(yōu)化調(diào)度，更加智能的將任務(wù)分配到物理核心進(jìn)行處理，提高任務(wù)實(shí)時(shí)性。SylixOS 超線程優(yōu)化調(diào)度器可以與 SylixOS 大小核動(dòng)態(tài)調(diào)度器協(xié)同工作，更好的支持大型復(fù)雜 CPU 實(shí)時(shí)運(yùn)算。
用戶可以查看?/proc/smp?文件獲取當(dāng)前 CPU 物理核心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：?
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> cat /proc/smp LOGIC CPU PHYSICAL CPU NON IDLE STATUS CURRENT THREAD MAX NESTING IPI VECTOR --------- ------------ -------- ------ -------------- ----------- ---------- 0 0 0 ACTIVE t_idle0 1 126 1 0 0 ACTIVE t_idle1 1 127 2 1 0 ACTIVE t_idle2 1 128 3 1 0 ACTIVE t_idle3 1 129 4 2 0 ACTIVE t_idle4 1 130 5 2 0 ACTIVE t_idle5 1 131 6 3 0 ACTIVE t_idle6 1 132 7 3 0 ACTIVE t_idle7 1 133 8 4 0 ACTIVE t_idle8 1 134 9 4 0 ACTIVE t_idle9 1 135 10 5 0 ACTIVE t_idle10 1 136 11 5 0 ACTIVE t_idle11 1 137 12 6 0 ACTIVE t_idle12 1 138 13 6 0 ACTIVE t_idle13 1 139 14 7 0 ACTIVE t_idle14 1 140 15 7 0 ACTIVE t_idle15 1 141 16 8 0 ACTIVE t_idle16 1 142 17 9 0 ACTIVE t_idle17 1 143 18 10 0 ACTIVE t_idle18 1 144 19 11 1 ACTIVE t_tshell 1 145以 12th Gen Intel?Core?i7-12700KF 為例，SylixOS 自動(dòng)探測(cè)出該處理器有?0?~?11?十二個(gè)處理器物理核心，0?~?7?每個(gè)物理核心包含兩個(gè)邏輯處理器核心，8?~?11?每個(gè)物理核心只包含一個(gè)邏輯處理器，共 20 個(gè)邏輯處理器核心。?SylixOS 系統(tǒng)啟動(dòng)參數(shù)?smt=yes?可開啟 SMT 架構(gòu)處理器調(diào)度優(yōu)化。
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此處理器為 Intel 大小核處理器，各算力簇算力如下：?
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> cat /proc/kernel/cpu_hetrcc CPU ID HETRCC ?COMPOW ?ACTIVE ------ ------ -------- ------ ? ? 0 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 1 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 2 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 3 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 4 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 5 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 6 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 7 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 8 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ? 9 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ?10 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ?11 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ?12 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ?13 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ?14 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ?15 ? ? ?1 ? ? ?840 YES ? ?16 ? ? ?0 ? ? ?290 YES ? ?17 ? ? ?0 ? ? ?290 YES ? ?18 ? ? ?0 ? ? ?290 YES ? ?19 ? ? ?0 ? ? ?290 YES
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NUMA 架構(gòu)多核處理器
NUMA（Non-Uniform Memory Access，非統(tǒng)一內(nèi)存訪問）架構(gòu)是一種針對(duì)多處理器系統(tǒng)的內(nèi)存組織方式。在這種架構(gòu)中，處理器被分配到不同的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有自己的本地內(nèi)存。處理器可以訪問本地內(nèi)存和其他節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存，但訪問本地內(nèi)存的速度要快于訪問其他節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存。
以飛騰 FT-S2500 64 核心 8 節(jié)點(diǎn) NUMA 架構(gòu)處理器為例，與近端內(nèi)存訪問速度相比，遠(yuǎn)端內(nèi)存訪問性能將會(huì)下降 1/3，如果沒有特殊處理，則嚴(yán)重影響程序運(yùn)行速度。
近日翼輝發(fā)布 SylixOS 3.2.7 版本，開始支持 NUMA 架構(gòu)處理器，此版本 SylixOS 可支持將指定的用戶任務(wù)緊耦合在指定的 NUMA 節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)支持緊耦合任務(wù)優(yōu)先使用 NUMA 節(jié)點(diǎn)親和的物理內(nèi)存，無論程序還是數(shù)據(jù)，都優(yōu)先使用 NUMA 節(jié)點(diǎn)近端內(nèi)存，從而提高內(nèi)存訪問效率，極大的減少的遠(yuǎn)端內(nèi)存訪問的可能性，所以 SylixOS 在 NUMA 架構(gòu)處理器上可同時(shí)保持強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高吞吐率。
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>?numago?node_id?program?...args使用以上命令可啟動(dòng)一個(gè)指定 NUMA 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的進(jìn)程，簡(jiǎn)單易用。
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總結(jié)
SylixOS 經(jīng)過多年發(fā)展，對(duì)于各種架構(gòu)處理器以及先進(jìn)的處理器特性支持非常健全，既能夠滿足關(guān)鍵任務(wù)實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)又能充分發(fā)揮處理器的算力。SylixOS 目前支持的處理器架構(gòu)包括：ARM32/64, x86/64, MIPS32/64, LoongArch32/64, RISCV32/64,?SPARC, PowerPC, C-SKY, Alpha, DSP?等。目前 SylixOS 已經(jīng)成為全球最強(qiáng)大的大型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一，廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)，領(lǐng)跑國內(nèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域。
本次針對(duì)于異構(gòu)算力大小核處理器 SylixOS 提供了靈活高效的調(diào)度器與調(diào)度策略，用戶既可以手動(dòng)進(jìn)行管理，也可以使用“算力感知自動(dòng)調(diào)度適配器”進(jìn)行自動(dòng)調(diào)度，方便靈活，用戶可控性強(qiáng)。使用戶可以輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜需求帶來的挑戰(zhàn)。
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審核編輯：劉清
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論