CN117312013A - 基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法及装置 - Google Patents

基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法及装置，本发明方法包括针对用于软件和硬件进行数据交互的软硬件交互队列，在内存中分配存储空间用于保存软硬件交互队列的读指针信息；软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据，硬件模块从软硬件交互队列Qi读取数据，将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中；软件模块直接从内存中得到软硬件交互队列Qi的读指针rptri以用于维护软硬件交互队列和写入数据。与软件通过慢速接口向硬件提交申请获取读指针信息的方法相比，本发明可以降低多队列软硬件接口的读指针信息的传递延迟，有利于尽早释放消息交互队列空间，提高软硬件交互队列的利用效率。

Description

基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法及装置
技术领域
本发明属于高性能计算领域软硬件交互技术，具体涉及一种基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法及装置。
背景技术
随着高性能计算机系统(HPC，High Performance Computer)计算速度从千万亿次级(P级，Petascale)向百亿亿次级(E级，Exascale)的不断提升，微处理器芯片以及互连网络芯片作为HPC的关键芯片所需处理的数据量呈指数级上升。因此，如何在更短的时间内处理更多的数据，是当前高性能计算机系统研究过程中所面临的巨大挑战。
在高性能计算机系统中，成千上万的计算节点之间需要进行海量的数据传输。对于每个计算节点，上层软件需要将内存中的数据通过软硬件接口发送到网络接口芯片，然后通过高速互连网络发送到其它节点。软硬件之间的数据交互通常需要多组位于内存或网络硬件中的队列来进行缓冲。软件将数据写入多组队列，并相应地更新每个队列的写指针；硬件将数据从多组队列中读出，并相应地更新读指针。软件在写入数据的时候，需要判断每个队列的当前读写指针的状态，以确保数据不存在写入溢出错误，因此软硬件之间的读指针信息同步是交互队列状态管理的关键问题之一。如果读指针信息同步过慢，将会导致部分队列地址空间实际上已被消费者消费，理论上可以被生产者写入，却由于对应的读指针信息未被及时更新而无法被生产者写入，从而造成队列利用率降低，影响软硬件交互性能。如果由软件通过速度较慢的寄存器访问接口向硬件提交请求来获取多组队列的读指针信息，然后硬件再通过寄存器访问接口返回信息，将存在指针信息更新不及时的问题。尤其是在队列数量较多时，所有队列的读指针信息只能通过寄存器访问接口串行传递，形成瓶颈。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法及装置，本发明旨在减小软件获取读指针信息的时间代价，实现对软硬件数据交互队列的高效管理，提高队列利用率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，包括：针对用于软件和硬件进行数据交互的软硬件交互队列，在内存中分配存储空间用于保存软硬件交互队列的读指针信息；软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据，硬件模块从软硬件交互队列Qi读取数据，将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中；软件模块直接从内存中得到软硬件交互队列Qi的读指针rptri以用于维护软硬件交互队列和写入数据。
可选地，所述软硬件交互队列Qi的长度为n1，其中n1为队列的总数，且所述软硬件交互队列Qi带有写指针wptri和读指针rptri，写指针wptri和读指针rptri初始时均位于初始位置0。
可选地，所述软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据时，写入的数据长度为a，且满足a<A，其中A为软硬件交互队列Qi当前可用地址空间的长度。
可选地，所述软硬件交互队列Qi为部署在软件模块的存储地址空间中，所述软件模块向软硬件交互队列写入数据时，还包括向硬件发送写入的数据长度a的信息。
可选地，所述软硬件交互队列Qi为部署在硬件模块的存储器件中。
可选地，所述硬件模块从软硬件交互队列Qi读取数据，将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中包括：
S101，硬件模块监测硬件交互队列Qi非空是否成立，若成立则执行步骤S102；
S102，硬件模块从硬件交互队列Qi中读取大小为b的数据，使得软硬件交互队列Qi的读指针rptri随着数据读取过程而相应地增加；
S103，硬件模块请求与软件模块之间的软硬件交互总线，判断软硬件交互总线是否仲裁成功，若尚未仲裁成功，则跳转重新执行步骤S103；否则跳转执行步骤S104；
S104，硬件模块判断读指针rptri在写入时机到来时与上次写回的数值是否相同，如果不同，则跳转步骤S105；否则，跳转执行步骤S103；
S105，硬件模块将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中用于缓存读指针信息的存储空间Pi中。
可选地，所述软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据包括：
S201，软件模块从内存中用于缓存读指针信息的存储空间Pi中获取软硬件交互队列Qi的读指针rptri；
S202，软件模块根据软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri判断软硬件交互队列Qi是否有空闲空间；若有空闲空间，则跳转步骤S203；否则，重新执行步骤S202；
S203，软件模块向软硬件交互队列Qi写入长度为a的数据，并更新软硬件交互队列Qi的写指针wptri。
可选地，步骤S202中根据软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri判断软硬件交互队列Qi是否有空闲空间包括：判断软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri的值是否相同，若写指针wptri和读指针rptri的值相同，则表明软硬件交互队列Qi中无数据，全部为空闲空间；若rptri<wptri，则软硬件交互队列Qi中的空闲空间大小A为A＝rptri+n1-wptri；若rptri>wptri，则软硬件交互队列Qi中的空闲空间大小A为A＝rptri-wptri。
此外，本发明还提供一种基于消息队列指针主动写回的交互队列管理装置，包括通过PCIE接口相互连接的微处理器和高速互连网卡，所述微处理器和高速互连网卡之间设有多个采用生产者-消费者模式的软硬件交互队列进行数据交互，针对每一个软硬件交互队列，由所述微处理器作为生产者向软硬件交互队列写入数据，高速互连网卡作为消费者向软硬件交互队列读取数据，所述微处理器和高速互连网卡被编程或配置以执行所述基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
1、效率高：对于软件所需的读指针信息，硬件通过高速数据总线接口将当前队列的读指针主动写回内存，供软件快速获取，相对于由软件通过速度较慢的寄存器访问接口向硬件提交请求来获取队列读指针信息的方式，本发明对于读指针信息的传递更为高效及时，尤其是在队列数量较多时，优势更为明显。
2、存储代价很小：对于每个队列，只需要保存当前写回的读指针信息，旧的读指针信息直接被新的读指针信息覆盖，因此每个队列只需要占用能够容纳一条读指针信息的地址空间即可。简而言之，本发明通过对软硬件数据交互队列读指针信息的传递机制进行优化，能够提高计算节点与网络硬件之间数据传输队列的利用率，提高数据传输带宽，从而提升整个系统的通信效率。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例方法的详细流程示意图。
图3为本发明实施例方法软硬件交互的示例。
具体实施方式
如图1所示，本实施例基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法包括：针对用于软件和硬件进行数据交互的软硬件交互队列，在内存中分配存储空间用于保存软硬件交互队列的读指针信息；软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据，硬件模块从软硬件交互队列Qi读取数据，将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中；软件模块直接从内存中得到软硬件交互队列Qi的读指针rptri以用于维护软硬件交互队列和写入数据。
本实施例中，软硬件交互队列Qi的长度为n1，其中n1为队列的总数，且软硬件交互队列Qi带有写指针wptri和读指针rptri，写指针wptri和读指针rptri初始时均位于初始位置0。
本实施例中，软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据时，写入的数据长度为a，且满足a<A，其中A为软硬件交互队列Qi当前可用地址空间的长度。
需要说明的是，软硬件交互队列Qi可以根据需要部署在软件模块的存储地址空间或者硬件模块的存储器件中。若软硬件交互队列Qi为部署在软件模块的存储地址空间中，则软件模块向软硬件交互队列写入数据时，还包括向硬件发送写入的数据长度a的信息。如图3所示，本实施例中软硬件交互队列Qi部署在硬件模块的存储器件中，软件模块无需额外提供写入数据的长度信息a。
如图2所示，硬件模块从软硬件交互队列Qi读取数据，将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中包括：
S101，硬件模块监测硬件交互队列Qi非空是否成立，若成立则执行步骤S102；
S102，硬件模块从硬件交互队列Qi中读取大小为b的数据，使得软硬件交互队列Qi的读指针rptri随着数据读取过程而相应地增加；
S103，硬件模块请求与软件模块之间的软硬件交互总线，判断软硬件交互总线是否仲裁成功，若尚未仲裁成功，则跳转重新执行步骤S103；否则跳转执行步骤S104；
S104，硬件模块判断读指针rptri在写入时机到来时与上次写回的数值是否相同，如果不同，则跳转步骤S105；否则，跳转执行步骤S103；
S105，硬件模块将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中用于缓存读指针信息的存储空间Pi中。
如图2所示，软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据包括：
S201，软件模块从内存中用于缓存读指针信息的存储空间Pi中获取软硬件交互队列Qi的读指针rptri；
S202，软件模块根据软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri判断软硬件交互队列Qi是否有空闲空间；若有空闲空间，则跳转步骤S203；否则，重新执行步骤S202；
S203，软件模块向软硬件交互队列Qi写入长度为a的数据，并更新软硬件交互队列Qi的写指针wptri。
本实施例中，步骤S202中根据软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri判断软硬件交互队列Qi是否有空闲空间包括：判断软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri的值是否相同，若写指针wptri和读指针rptri的值相同，则表明软硬件交互队列Qi中无数据，全部为空闲空间；若rptri<wptri，则软硬件交互队列Qi中的空闲空间大小A为A＝rptri+n1-wptri；若rptri>wptri，则软硬件交互队列Qi中的空闲空间大小A为A＝rptri-wptri。
参见图3可知，本实施例中共包含n个硬件交互队列，分别记为硬件交互队列Q1～Qn。图3中虚线分割线左侧表示软件模块，右侧表示硬件模块。软件模块通过应用程序读写控制，将数据写入硬件交互队列Q1～Qn，软件模块向软硬件交互队列Q1～Qn写入长度为a的数据，并更新软硬件交互队列Qi的写指针wptr1～wptrn。硬件模块从软硬件交互队列Qi读取数据，将更新后的软硬件交互队列Q1～Qn的读指针rptr1～rptrn主动写回到内存中；软件模块直接从内存中得到软硬件交互队列Q1～Qn的读指针rptr1～rptrn以用于维护软硬件交互队列和写入数据。软硬件交互队列Q1～Qn的写指针和读指针均为独立控制以实现独立读写控制。
综上所述，本实施例基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法包括针对软硬件交互队列，在内存中分配存储空间用于保存软硬件交互队列的读指针信息；当硬件从交互队列读取数据后将更新后的队列读指针信息主动写回到内存中；软件直接从内存中得到该读指针信息用于维护软硬件交互队列，与软件通过慢速接口向硬件提交申请获取读指针信息的方法相比，本发明可以降低多队列软硬件接口的读指针信息的传递延迟，有利于尽早释放消息交互队列空间，实现软硬件交互队列的快速循环利用。
此外，本实施例还提供一种基于消息队列指针主动写回的交互队列管理装置，包括通过PCIE接口相互连接的微处理器和高速互连网卡，所述微处理器和高速互连网卡之间设有多个采用生产者-消费者模式的软硬件交互队列进行数据交互，针对每一个软硬件交互队列，由所述微处理器作为生产者向软硬件交互队列写入数据，高速互连网卡作为消费者向软硬件交互队列读取数据，微处理器和高速互连网卡被编程或配置以执行所述基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法。本发明针对高性能计算机系统中处理器与高速互连网卡芯片之间的数据通信问题，本实施例基于消息队列指针主动写回的交互队列管理装置可通过处理器将大量指令和数据通过PCIE(Peripheral Component InterconnectExpress，外围组件互连快件)接口发送给高速互连网卡芯片，进而由高速互连网卡对指令进行解析，并将指令和数据通过高速互连网络发送到目的节点；另外，高速互连网卡芯片从高速互连网络上接收到来自其它节点的指令和数据，进行处理后，通过PCIE接口传递到当前节点的处理器和内存空间。处理器和高速互连网卡之间通过多个采用生产者-消费者模式的软硬件交互队列进行数据交互。对于每个队列，由生产者写入数据，消费者读取数据，生产者自行维护写指针，消费者自行维护读指针。消费者需要将读指针传递给生产者，同时，生产者需要将写指针传递给消费者，以便于生产者和消费者能够及时确定队列状态，从而控制读写行为。指针信息的传递效率直接影响到数据队列的利用效率。
此外，本实施例还提供一种高性能计算机系统，包括通过网络相互连接的多个计算机节点，所述计算机节点包括相互连接的微处理器和内存，所述微处理器连接有网络接口芯片，所述微处理器被编程或配置以执行前述基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行前述基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，其特征在于，包括：针对用于软件和硬件进行数据交互的软硬件交互队列，在内存中分配存储空间用于保存软硬件交互队列的读指针信息；软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据，硬件模块从软硬件交互队列Qi读取数据，将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中；软件模块直接从内存中得到软硬件交互队列Qi的读指针rptri以用于维护软硬件交互队列和写入数据。
2.根据权利要求1所述的基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，其特征在于，所述软硬件交互队列Qi的长度为n1，其中n1为队列的总数，且所述软硬件交互队列Qi带有写指针wptri和读指针rptri，写指针wptri和读指针rptri初始时均位于初始位置0。
3.根据权利要求2所述的基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，其特征在于，所述软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据时，写入的数据长度为a，且满足a<A，其中A为软硬件交互队列Qi当前可用地址空间的长度。
4.根据权利要求3所述的基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，其特征在于，所述软硬件交互队列Qi为部署在软件模块的存储地址空间中，所述软件模块向软硬件交互队列写入数据时，还包括向硬件发送写入的数据长度a的信息。
5.根据权利要求3所述的基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，其特征在于，所述软硬件交互队列Qi为部署在硬件模块的存储器件中。
6.根据权利要求1所述的基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，其特征在于，所述硬件模块从软硬件交互队列Qi读取数据，将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中包括：
S101，硬件模块监测硬件交互队列Qi非空是否成立，若成立则执行步骤S102；
S102，硬件模块从硬件交互队列Qi中读取大小为b的数据，使得软硬件交互队列Qi的读指针rptri随着数据读取过程而相应地增加；
S103，硬件模块请求与软件模块之间的软硬件交互总线，判断软硬件交互总线是否仲裁成功，若尚未仲裁成功，则跳转重新执行步骤S103；否则跳转执行步骤S104；
S104，硬件模块判断读指针rptri在写入时机到来时与上次写回的数值是否相同，如果不同，则跳转步骤S105；否则，跳转执行步骤S103；
S105，硬件模块将更新后的软硬件交互队列Qi的读指针rptri主动写回到内存中用于缓存读指针信息的存储空间Pi中。
7.根据权利要求1所述的基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，其特征在于，所述软件模块向软硬件交互队列Qi写入数据包括：
S201，软件模块从内存中用于缓存读指针信息的存储空间Pi中获取软硬件交互队列Qi的读指针rptri；
S202，软件模块根据软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri判断软硬件交互队列Qi是否有空闲空间；若有空闲空间，则跳转步骤S203；否则，重新执行步骤S202；
S203，软件模块向软硬件交互队列Qi写入长度为a的数据，并更新软硬件交互队列Qi的写指针wptri。
8.根据权利要求7所述的基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法，其特征在于，步骤S202中根据软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri判断软硬件交互队列Qi是否有空闲空间包括：判断软硬件交互队列Qi的写指针wptri和读指针rptri的值是否相同，若写指针wptri和读指针rptri的值相同，则表明软硬件交互队列Qi中无数据，全部为空闲空间；若rptri<wptri，则软硬件交互队列Qi中的空闲空间大小A为A＝rptri+n1-wptri；若rptri>wptri，则软硬件交互队列Qi中的空闲空间大小A为A＝rptri-wptri。
9.一种基于消息队列指针主动写回的交互队列管理装置，包括通过PCIE接口相互连接的微处理器和高速互连网卡，其特征在于，所述微处理器和高速互连网卡之间设有多个采用生产者-消费者模式的软硬件交互队列进行数据交互，针对每一个软硬件交互队列，由所述微处理器作为生产者向软硬件交互队列写入数据，高速互连网卡作为消费者向软硬件交互队列读取数据，所述微处理器和高速互连网卡被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述基于消息队列指针主动写回的交互队列管理方法。
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