CN101178659A - 一种大规模计算机节点引导程序并行更新方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大规模计算机节点引导程序并行更新方法及系统，更新客户端通过通信支持模块向大规模计算机的各个节点并行地发送更新命令和数据，各节点上节点更新服务模块接收到更新客户端的更新命令和数据后对各节点引导程序进行更新。该更新系统包括通信支持模块、运行于普通微机上的更新客户端以及设置于大规模计算机的每个节点上的节点引导程序更新模块，所有节点更新服务模块通过通信支持模块与更新客户端相连，响应客户端的更新命令并最终实现各节点引导程序的并行更新。本发明采用并发模式、具有结构简单、操作简便、能够有效解决大规模系统中引导程序的更新费时、费力问题。
Description
技术领域
本发明主要涉及到大规模计算机领域，特指一种大规模计算机节点引导程序并行更新方法及系统。
背景技术
计算机系统引导程序是加电或复位时加载运行的程序，通常固化在非易失性存储器中。引导程序对硬件进行初始化并引导其他程序如操作系统引导程序，它收集系统中硬件设备最基本的信息，为系统提供最底层、最直接的硬件控制。在系统开发过程中，随着引导程序的不断升级、功能的不断增加或错误的修正，需要经常对引导程序进行更新。单个引导程序的更新方法很多，主要可分为两类：1)离线更新，引导程序的存储介质在安装到PCB板之前利用专用的工具将引导程序烧录到存储介质中；2)在线热升级，通过外部设备连接到PCB板，提供必要的软件工具来实现引导程序的更新。
离线更新需要专门的工具，而且需要PCB板支持存储介质的可拆装，这就使得离线更新极为不方便，而且不是所有的PCB板都支持存储介质的拆装，因此离线更新方法有一定的局限性。在大规模系统中采用离线更新的方法费时、费力、操作不方便。
在线热升级可分为两种：1)利用串口等硬件接口实现数据的传输，通过系统的CPU来执行引导程序的更新；2)利用JTAG接口实现引导程序的更新。在线热升级比离线升级操作方便，不需要专用的工具和系统的拆卸，是目前计算机系统引导程序更新较为常用的方法。
大规模计算机系统通常由数量众多的节点组成，每一个节点具有本地引导程序对节点内部进行初始化和系统引导工作。即使是单个节点，其引导程序存储到引导区的过程也需要一定的时间，因此对于具有成千上万个节点的大规模系统来说，如果采用传统的在线热升级方法对全系统所有节点的引导程序逐一进行更新，这无疑将是一个漫长的过程，更新效率极低。
发明内容
本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种采用并发模式、具有结构简单、操作简便、能够有效解决大规模系统中引导程序的更新费时、费力问题的大规模计算机节点引导程序并行更新方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种大规模计算机节点引导程序并行更新方法，其特征在于：更新客户端通过通信支持模块向大规模计算机的各个节点并行地发送更新命令和数据，各节点上节点更新服务模块接收到更新客户端的更新命令和数据后对各节点引导程序进行更新。
每个节点引导程序更新的步骤为：
(1)、节点在加电或复位后启动基本引导程序进行底层硬件的初始化；
(2)、基本引导程序实现硬件初始化后启动更新服务程序；
(3)、更新服务程序循环等待客户端的握手请求，如果在一定时间内握手成功，则进入步骤(4)；否则，更新服务程序退出，启动主引导程序；
(4)、更新服务程序等待客户端发送的命令；
(4.1)、接收到取消更新命令，则服务程序从引导区读取主引导程序并启动主引导程序，进入步骤5；
(4.2)、接收到更新命令，服务程序启动数据接收与校验，
a)、数据接收失败或者校验失败，发送更新失败消息到客户端，跳转到步骤(4)；
b)、接收到的数据经过校验成功后，服务程序将主引导程序写入引导区，然后启动主引导程序，进入步骤(5)；
(5)、发送更新结果到客户端，本次更新操作结束。
所述更新客户端根据节点列表中的节点数目决定创建子线程的数目，每个子线程对应一个节点，所有的子线程接收到更新节点后，启动更新操作，子线程首先与目标节点进行握手操作，成功后开始发送更新命令和引导程序更新数据，并等待更新结果，所有的子线程更新操作结束后，主程序负责收集更新结果，子线程的更新操作并行完成，子线程之间没有任何的通信。
所述客户端中的子线程负责完成主程序分配的节点引导程序更新任务，其步骤为：
(1)、主程序从节点列表中读取需要更新的节点，并为节点列表中的每一个节点创建一个子线程。如果列表为空，主程序任务完成，退出；
(2)、子线程向对应节点的更新服务程序发出握手请求，服务程序接收请求后进行解析和验证，通过验证后发送验证成功的应答消息，否则发送验证失败消息；
(3)、子线程接收到握手成功消息后，进入步骤4。否则，若没有超时，执行步骤2；如果超时，通知主程序更新失败，退出子线程；
(4)、将引导程序以数据包的形式发送到更新服务程序，等待接收应答消息，更新服务程序接收到数据包后进行解析验证，通过验证后将引导程序写入引导分区。写入成功，给客户端对应的子线程发送更新成功消息，否则发送数据更新失败消息；
(5)、子线程等待更新结果；
(5.1)、子线程接收到更新成功的消息，通知主程序该节点更新成功，退出子线程；
(5.2)、子线程接收到更新失败的消息，进行重试；如果重试次数没有超过设定的重试次数，则跳转到步骤4；否则给对应的节点发送取消更新操作的消息，并通知主程序该节点更新失败，退出子线程。
一种大规模计算机节点引导程序并行更新系统，其特征在于：它包括通信支持模块、运行于普通微机上的更新客户端以及设置于大规模计算机的每个节点上的节点引导程序更新模块，所有节点更新服务模块通过通信支持模块与更新客户端相连，响应客户端的更新命令并最终实现各节点引导程序的并行更新。
所述节点引导程序更新模块包括基本引导程序单元和主引导程序单元，用来接收客户端更新数据包的更新服务程序嵌入在基本引导程序单元中。
所述通信支持模块包含一个或多个支持多个节点同时更新的通信子模块，所述通信子模块具有一个与客户端进行通信的接口和多个与节点进行通信的接口，所述通信子模块包括一个网络控制器、嵌入式微处理器、n个RS232接口控制器和n个JTAG接口，网络控制器为客户端提供一个以太网接口，接口控制器负责实现通信子模块和节点更新程序之间的数据传输，节点通过接口控制器与通信子模块进行互连。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1、本发明由于所有节点的引导程序更新过程都是同时进行的，当系统规模非常大时，采用本发明的更新效率得到了十分明显的提高。对于例如具有256个节点的大规模并行系统，假设对一个节点进行引导程序更新所需的时间是T，如果采用传统的方法逐个对所有节点进行更新，那么对全系统所有节点更新所需要的时间是256T的时间。而在采用本发明对系统所有节点进行并行更新的情况下，所需时间为T。因此系统引导程序的更新时间大大减少。
2、本发明支持系统结构的可扩展。采用本发明不会因为系统规模的扩大而影响系统节点引导程序的更新速度和方法。由于通信子模块支持1个到多个节点的并行更新，因此当系统规模增大时，只需简单增加通信子模块的数量就能够支持，而且不会增加更新时间。
3、本发明支持平台的多样性，具有通用性。通信支持模块采用标准的以太网接口与客户端连接，任何一台具有以太网接口的普通微机均可作为客户端使用。通信子模块与节点的接口采用目前更新引导程序常用的标准接口RS232和JTAG，因此只要目标平台具有RS232接口和JTAG接口中的任意一种接口，就能够使用本发明实现对多个目标平台的引导程序的并行更新。
附图说明
图1是本发明中引导程序并行更新示意图；
图2是本发明中单节点引导程序更新流程示意图；
图3是本发明中更新程序客户端的结构示意图；
图4是本发明中更新程序客户端子线程实现流程示意图；
图5是本发明中通信支持模块的结构示意图；
图6是本发明中通信子模块的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提供了一种大规模计算机节点引导程序并行更新方法，更新客户端通过通信支持模块向大规模计算机的各个节点并行地发送更新命令和数据，各节点上节点更新服务模块接收到更新客户端的更新命令和数据后对各节点引导程序进行更新。在较佳实施例中，更新客户端根据节点列表中的节点数目决定创建子线程的数目，每个子线程对应一个节点，所有的子线程接收到更新节点后，启动更新操作，子线程首先与目标节点进行握手操作，成功后开始发送更新命令和引导程序更新数据，并等待更新结果，所有的子线程更新操作结束后，主程序负责收集更新结果，子线程的更新操作并行完成，子线程之间没有任何的通信。
根据上述方法，本发明进一步提供了一种大规模计算机节点引导程序并行更新系统，它包括通信支持模块、运行于普通微机上的更新客户端以及设置于大规模计算机的每个节点上的节点引导程序更新模块，所有节点更新服务模块通过通信支持模块与更新客户端相连，响应客户端的更新命令并最终实现各节点引导程序的并行更新。其中，节点引导程序更新模块包括基本引导程序单元和主引导程序单元，嵌入在基本引导程序单元中的更新服务程序用来接收客户端更新数据包。通信支持模块包含一个或多个支持多个节点同时更新的通信子模块，所述通信子模块具有一个与客户端进行通信的接口和多个与节点进行通信的接口，所述通信子模块包括一个网络控制器、嵌入式微处理器、n个RS232接口控制器和n个JTAG接口，网络控制器为客户端提供一个以太网接口，接口控制器负责实现通信子模块和节点更新程序之间的数据传输，节点通过接口控制器与通信子模块进行互连。
大规模计算机系统中的各个节点通过通信支持模块与更新程序客户端互连，节点更新服务模块负责实现本地节点引导程序的更新操作，并且通过通信支持模块与更新客户端进行通信。客户端通过通信支持模块向系统各个节点并行地发送更新命令和数据。节点接收到更新命令后执行引导程序的更新操作，节点之间的更新过程互不影响，并行执行。
节点更新服务模块是一段嵌入在引导程序中的更新服务程序。引导程序由两部分组成：基本引导程序单元和主引导程序单元。更新服务程序嵌入在基本引导程序单元中。基本引导程序单元主要功能是对底层硬件进行最基本的初始化操作和启动更新服务程序。基本引导程序单元实现了引导过程更新所需的最基本的功能，包括简单的CPU初始化、简单的内存初始化和更新过程所需的通信接口的初始化。基本引导程序单元固化在非易失性存储器中，通常不需要被更新。因此引导程序的更新主要是指对主引导程序单元的更新。基本引导程序单元在完成最基本的硬件初始化操作后，启动更新服务程序。更新服务程序循环等待客户端发送的更新消息。如果更新服务程序在一定时间内未收到客户端的更新消息，则退出循环等待过程，执行原来的主引导程序单元并正常引导系统。更新服务程序在循环等待过程中一旦收到客户端的更新消息，将根据收到的消息进行引导程序的更新操作。
客户端模块根据更新节点列表启动节点引导程序更新操作。节点列表可以是所有节点，也可以是部分节点。更新客户端根据用户的设定将更新消息发送到所有需要被更新的节点。在客户端和更新服务程序之间通过通信支持模块实现更新消息的并行发送，新的引导程序以数据包的形式通过通信支持模块并行发送到所有被更新的节点。
在具体实施例中，如图1所示，本发明中引导程序并行更新示意图。客户端通过通信支持模块与系统的所有节点互连，客户端给所有需要更新的节点并行发送的更新命令包和数据包通过通信支持模块转发到各个节点，节点接收到更新命令和更新数据包后执行引导程序的更新。节点之间引导程序的更新互不影响，并行完成。更新客户端
如图2所示，本发明中单节点引导程序更新流程示意图。如何实现单节点引导程序的在线热更新是实现系统引导程序并行更新的基础。在系统加电或复位以后，固化在存储介质中的基本引导程序实现对基本硬件的初始化，然后启动更新服务程序。更新服务程序等待客户端发送的命令直到超时。更新服务程序接收到更新命令后开始接收更新数据并行校验，将通过校验的数据写到引导区，发送更新成功消息到客户端。更新服务程序接收数据失败或数据校验失败，发送更新失败消息到客户端并重新等待客户端发送的命令或数据，直到超时。
单个节点引导程序更新的详细实现过程如下：
1、节点在加电或复位后启动基本引导程序进行底层硬件的初始化；
2、基本引导程序实现硬件初始化后启动更新服务程序；
3、更新服务程序循环等待客户端的握手请求。如果在一定时间内握手成功，则进入步骤4；否则，更新服务程序退出，启动主引导程序。
4、更新服务程序等待客户端发送的命令；
4.1、接收到取消更新命令，则服务程序从引导区读取主引导程序并启动主引导程序，进入步骤5；
4.2、接收到更新命令，服务程序启动数据接收与校验，
a)、数据接收失败或者校验失败，发送更新失败消息到客户端，跳转到步骤4；
b)、接收到的数据经过校验成功后，服务程序将主引导程序写入引导区，然后启动主引导程序，进入步骤5。
5、发送更新结果到客户端，本次更新操作结束。
在引导程序中添加一个更新服务程序使得引导程序的更新实现了在线热更新，为大规模计算机系统引导程序的并行更新奠定了基础。
如图3所示，本发明中更新程序客户端的结构示意图。更新客户端根据节点列表中的节点数目决定创建子线程的数目，每个子线程对应一个节点。所有的子线程接收到更新节点后，启动更新操作。子线程首先与目标节点进行握手操作，成功后开始发送更新命令和引导程序更新数据，并等待更新结果。所有的子线程更新操作结束后，主程序负责收集更新结果。子线程的更新操作并行完成，子线程之间没有任何的通信。更新程序客户端实现了节点的并行更新，能够大大减少大规模计算机系统节点引导程序更新需要的时间。
如图4所示，本发明中客户端子线程实现流程示意图。客户端中的子线程负责完成主程序分配的节点引导程序更新任务。子线程首先向节点服务程序发送握手请求。如果握手失败，进行重试直到超时。握手成功后将引导程序数据进行打包发送给节点。子线程接收到更新成功的应答后再通知主程序，退出子线程。子线程接收到更新失败的应答后进行重试直到超时，详细的工作流程是：
1、主程序从节点列表中读取需要更新的节点，并为节点列表中的每一个节点创建一个子线程。如果列表为空，主程序任务完成，退出。
2、子线程向对应节点的更新服务程序发出握手请求，服务程序接收请求后进行解析和验证，通过验证后发送验证成功的应答消息，否则发送验证失败消息。
3、子线程接收到握手成功消息后，进入步骤4。否则，若没有超时，执行步骤2；如果超时，通知主程序更新失败，退出子线程。
4、将引导程序以数据包的形式发送到更新服务程序，等待接收应答消息。更新服务程序接收到数据包后进行解析验证，通过验证后将引导程序写入引导分区。写入成功，给客户端对应的子线程发送更新成功消息，否则发送数据更新失败消息。
5、子线程等待更新结果。
5.1、子线程接收到更新成功的消息，通知主程序该节点更新成功，退出子线程。
5.2、子线程接收到更新失败的消息，进行重试。如果重试次数没有超过设定的重试次数，则跳转到步骤4；否则给对应的节点发送取消更新操作的消息，并通知主程序该节点更新失败，退出子线程。
如图5所示，本发明中通信支持模块的结构示意图。通信支持模块为大规模计算机系统节点引导程序的并行更新提供物理连接和通信支持。根据系统规模的不同，通信支持模块包含一个或多个通信子模块。每个通信子模块支持多个节点同时更新。假设系统有m×n个节点，每个通信子模块支持n个节点同时更新，那么通信支持模块将包含m个通信子模块。
如图6所示，本发明中通信子模块的结构示意图。通信子模块是通信支持模块的核心组成部分，实现了更新客户端和节点更新程序之间的并行数据传输。通信子模块主要包括网络控制器、通信服务程序和接口控制器。通信支持模块的子模块结构设计使得系统具有很好的扩展性，单个通信子模块支持的接口数目高达几百个。因此，通信支持模块能够支持的并行更新的节点数目可以从几百个扩展到成千上万个，很好的支持了大规模计算机系统节点引导程序的并行更新。通信子模块提供的接口可以是RS232接口也可以是JTAG接口，与传统的单一接口相比，具有多样性。
网络控制器为更新客户端提供以太网通信服务。更新客户端与所有节点之间的数据通信都是通过以太网接口来实现的。接口控制器实现了节点与通信支持模块之间的互连。每个节点通过一个专用的接口控制器与通信子模块互连。通信服务程序实现了网络控制器与接口控制器之间的数据交流。通信服务程序为每个接口控制器创建一个线程，每个线程监听该节点的接口控制器和对应的网络通信端口。如果接口控制器上有数据到达，线程负责将数据通过网络通信端口发送到更新客户端，如果网络通信端口有数据到达，线程将数据通过接口控制器发送到节点更新服务程序。
接口控制器包含RS232串口控制器和JTAG控制器，每一个节点通过RS232串口和JTAG接口与通信子模块连接。如果节点采用串口作为通信接口，通信服务程序实现TCP/IP数据与RS232数据之间的转换与路由。如果节点采用的通信接口是JTAG接口，通信子模块中的JTAG控制器将通信服务程序写入的数据通过JTAG接口直接写入到引导区，而不需要经过节点更新服务程序进行处理。同时通信子模块中的JTAG控制器将更新结果提交给通信服务程序，由通信服务程序发送到更新程序客户端。使用JTAG接口进行更新的方式不仅能够更新主引导模块同时也能够更新基本引导模块。
本发明已应用于国防科技大学计算机学院自行研制的高性能大规模并行计算机系统，该系统具有1024个节点，通信支持模块具有16个通信子模块，每个通信子模块连接64个节点。通信子模块提供了64个RS232接口和64个JTAG接口分别与各节点相连。客户端模块采用运行Windows操作系统的普通微机。本发明已经过验证并取得了很好的应用效果。本发明并不局限于具体的目标节点硬件平台，对于具有RS232接口或JTAG接口的目标平台具有通用性。
Claims (7)
1.一种大规模计算机节点引导程序并行更新方法，其特征在于：更新客户端通过通信支持模块向大规模计算机的各个节点并行地发送更新命令和数据，各节点上节点更新服务模块接收到更新客户端的更新命令和数据后对各节点引导程序进行更新。
2.根据权利要求1所述的大规模计算机节点引导程序并行更新方法，其特征在于每个节点引导程序更新的步骤为：
(1)、节点在加电或复位后启动基本引导程序进行底层硬件的初始化；
(2)、基本引导程序实现硬件初始化后启动更新服务程序；
(3)、更新服务程序循环等待客户端的握手请求，如果在一定时间内握手成功，则进入步骤(4)；否则，更新服务程序退出，启动主引导程序；
(4)、更新服务程序等待客户端发送的命令；
(4.1)、接收到取消更新命令，则服务程序从引导区读取主引导程序并启动主引导程序，进入步骤5；
(4.2)、接收到更新命令，服务程序启动数据接收与校验，
a)、数据接收失败或者校验失败，发送更新失败消息到客户端，跳转到步骤(4)；
b)、接收到的数据经过校验成功后，服务程序将主引导程序写入引导区，然后启动主引导程序，进入步骤(5)；
(5)、发送更新结果到客户端，本次更新操作结束。
3.根据权利要求1或2所述的大规模计算机节点引导程序并行更新方法，其特征在于：所述更新客户端根据节点列表中的节点数目决定创建子线程的数目，每个子线程对应一个节点，所有的子线程接收到更新节点后，启动更新操作，子线程首先与目标节点进行握手操作，成功后开始发送更新命令和引导程序更新数据，并等待更新结果，所有的子线程更新操作结束后，主程序负责收集更新结果，子线程的更新操作并行完成，子线程之间没有任何的通信。
4.根据权利要求1或2所述的大规模计算机节点引导程序并行更新方法，其特征在于：所述客户端中的子线程负责完成主程序分配的节点引导程序更新任务，其步骤为：
(1)、主程序从节点列表中读取需要更新的节点，并为节点列表中的每一个节点创建一个子线程；如果列表为空，主程序任务完成，退出；
(2)、子线程向对应节点的更新服务程序发出握手请求，服务程序接收请求后进行解析和验证，通过验证后发送验证成功的应答消息，否则发送验证失败消息；
(3)、子线程接收到握手成功消息后，进入步骤4；否则，若没有超时，执行步骤2；如果超时，通知主程序更新失败，退出子线程；
(4)、将引导程序以数据包的形式发送到更新服务程序，等待接收应答消息，更新服务程序接收到数据包后进行解析验证，通过验证后将引导程序写入引导分区；写入成功，给客户端对应的子线程发送更新成功消息，否则发送数据更新失败消息；
(5)、子线程等待更新结果；
(5.1)、子线程接收到更新成功的消息，通知主程序该节点更新成功，退出子线程；
(5.2)、子线程接收到更新失败的消息，进行重试；如果重试次数没有超过设定的重试次数，则跳转到步骤4；否则给对应的节点发送取消更新操作的消息，并通知主程序该节点更新失败，退出子线程。
5.一种大规模计算机节点引导程序并行更新系统，其特征在于：它包括通信支持模块、运行于普通微机上的更新客户端以及设置于大规模计算机的每个节点上的节点引导程序更新模块，所有节点更新服务模块通过通信支持模块与更新客户端相连，响应客户端的更新命令并最终实现各节点引导程序的并行更新。
6.根据权利要求5所述的大规模计算机节点引导程序并行更新系统，其特征在于：所述节点引导程序更新模块包括基本引导程序单元和主引导程序单元，嵌入在基本引导程序单元中的更新服务程序用来接收客户端更新数据包。
7.根据权利要求5或6所述的大规模计算机节点引导程序并行更新系统，其特征在于：所述通信支持模块包含一个或多个支持多个节点同时更新的通信子模块，所述通信子模块具有一个与客户端进行通信的接口和多个与节点进行通信的接口，所述通信子模块包括一个网络控制器、嵌入式微处理器、n个RS232接口控制器和n个JTAG接口，网络控制器为客户端提供一个以太网接口，接口控制器负责实现通信子模块和节点更新程序之间的数据传输，节点通过接口控制器与通信子模块进行互连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090805 Termination date: 20131214 |