CN1199121C - Numa数据处理系统及其同步节点集合的方法与中央开关 - Google Patents

Numa数据处理系统及其同步节点集合的方法与中央开关 Download PDF

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Abstract

一种用于同步与多节点数据处理系统中的中央开关相连的节点集合的系统和方法。一开始，从每个节点提取时基寄存器值。然后据此值确定一个公用时基寄存器值。将所确定的该值广播到每个节点。在读之前，通过向每个节点广播一个停止传输包而停止节点集合中的包传输。通过向每个节点广播一个恢复传输包，可在同步后恢复正常的包传输。当节点适配器从开关接收到一个读时基包时，通过从节点适配器向节点处理器的其中之一发出专用中断，可读取时基寄存器值。确定公用时基寄存器值的方法可以是，选择从集合中每个节点读取的时基寄存器值的最大值，并用一个调节因数调节该最大时基寄存器值。通过例如每当中央开关的递减寄存器达到零时启动一次同步，可以定期地重复该同步过程。

Description

NUMA数据处理系统及其同步节点集合的方法与中央开关
技术领域
本发明总体涉及微处理器计算系统领域，更具体来说，涉及同步多处理器系统的各种节点上的时基寄存器。
背景技术
可缩放共享存储器多处理器通常是通过用保持超高速缓存相关性的互连的互连对称共享存储器多处理器系统而建立的，每个系统的处理器数较少。互连共享多处理器(SMP)系统充分利用其它先存的、经常是高容量(volume)的产品来创建更大的系统。生成的系统是超高速缓存相关的、非一致性存储器存取多处理器(ccNUMA)。此外，如IBM公司的PowerPC体系结构的有些体系结构每个处理器设置一个按处理器自己的频率的某个因数递增的时间寄存器。在PowerPC系统中，将这个寄存器称为时基寄存器。该PowerPC体系结构要求，在多处理器系统中，时基的程序可觉察值(program perceptible value)必须单调地增加。换言之，如果程序第一次读时基，随后第二次读时基，则第二个值必须大于或等于第一个值。这个约束条件意味着多个处理器上的时基寄存器值的大小必须彼此足够接近，如果某程序先在一个处理器上运行，然后在另一个上运行，则程序读取的第二个时基值大于或等于第一个。因为从一个处理器向另一个转移一个程序的时间，数量级大约是100至1000个处理器周期，并且因为时基因数(divisor)的数量级是10个周期(onthe order of 10’s of cycles)，所以这个要求并不太严厉。不过，它确实迫使多节点NUMA系统去同步系统中所有处理器的时基寄存器。由于NUMA系统上通常没有公用的振荡器，系统上各种节点的时基寄存器会随着时间的推移而彼此偏离。所以，必须定期地对时基寄存器进行互相再同步。同步时基寄存器所实行的方法，最好在网络负载或专用硬件方面不太昂贵。尽管有些硬件互连机构有公用的振荡器能用于这个目的，其它体系结构有在其有效负载中携带一个时间值并在通过网络传输这个值时老化(ages)这个值的特殊包格式(packet format)，这个硬件并不是在每个实施上都有的。在没有这种硬件的条件下，仍然需要提供一个保持系统体系结构所要求的同步水平的时基同步机构。因此非常需要实现一种用于在不非常增加系统的成本或复杂性的情况下同步NUMA系统上各种节点的机构和方法。
发明内容
通过一种用于同步与多节点数据处理系统(如NUMA数据处理系统)中的中央开关相连的节点集合的系统和方法，在很大程度上解决了以上所述的问题。
一开始，从节点集合的每个节点提取时基寄存器值。然后根据从各节点接收的时基寄存器值确定一个公用时基寄存器值。然后将所确定的公用时基寄存器值广播到每个节点。在读时基寄存器值之前，通过向每个节点广播一个停止传输包而停止节点集合之间的包传输。在这个实施例中，通过向每个节点广播一个恢复传输包，可以在同步之后恢复正常的包传输。当节点适配器从开关接收到一个读时基包时，通过从节点适配器向节点处理器的其中之一发出一个专用中断，可以读取时基寄存器值。确定公用时基寄存器值的方法可以是，选择从节点集合的每个节点读取的时基寄存器值的最大值，并用一个调节因数(如一个包从中央开关传输到一个节点处理器所需的时间加上一个包从一个节点处理器传输到中央开关所需的时间)调节该最大时基寄存器值。通过例如每当中央开关的递减寄存器达到零时启动一次同步，可以定期地重复该同步过程。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于在非一致性存储器体系结构数据处理系统中同步节点集合的方法，包含以下步骤：
在停止节点集合之间的包传输之后，从节点集合的每个节点读取时基寄存器值；
根据从节点集合的每个节点接收的时基寄存器值的集合确定一个公用时基寄存器值，其中，确定公用时基寄存器值包括选择从节点集合的每个节点读取的时基寄存器值的最大值；和
将公用时基寄存器值广播到节点集合的每个节点。
根据本发明的第二方面，提供了一种非一致性存储器体系结构数据处理系统，包含：
一个节点集合，其中每个节点包括至少一个具有一个时基寄存器的处理器和一个适合于读与写时基寄存器值的适配器；
一个与每一个节点的适配器相连的中央开关；
其中，中央开关被设置为通过提取每一个时基寄存器的值、根据所提取的值确定一个公用时基寄存器值以及将公用时基寄存器值广播到每个节点来同步时基寄存器，其中，确定公用时基寄存器值包括选择从节点集合的每个节点读取的时基寄存器值的最大值。
根据本发明的第三方面，提供了非一致性存储器体系结构数据处理系统中的一种中央开关，包含：
一个端口集合，每个端口对应于数据处理系统的一个节点，其中，每个端口适合于连接到数据处理系统的一个节点，并且每个端口包含一个适合于存储从对应节点的时基寄存器中提取的值的端口寄存器；
一个处理器，与每个端口相连并且能对端口寄存器读与写；和
一个设置有处理器可执行指令的存储器，这些指令用于从每个节点提取时基寄存器值、根据所提取的时基寄存器值确定一个公用时基寄存器值以及将公用时基寄存器值广播到每个节点，其中，确定公用时基寄存器值包括选择从节点集合的每个节点读取的时基寄存器值的最大值。
附图说明
通过阅读以下详细说明并参照各附图，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。附图简介：
图1是非一致性存储器体系结构数据处理系统的框图；
图2是适合用作图1的NUMA系统的节点的对称多处理器系统的框图；
图3是表示图1的开关与节点同步处理器之间的连接的框图；
图4是图1的开关的一个实施例的框图；和
图5是同步多节点数据处理系统中的的时基寄存器的方法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明允许有各种改进和其它可能的形式，附图中举例表示了其具体实施例，本文中将对具体实施例作详细说明。不过应当明白，这里所提供的附图和详细说明并非要把本发明限制于所披露的具体实施例，相反，本发明要包含属于如由后附的权利要求所界定的本发明的精神和范围之列的所有改进方案、同等方案和替换方案。
现在来看附图，图1是按照本发明的一个实施例的NUMA数据处理系统100的高级框图。系统100包含一个节点集合102a、102b、102c、102d(在本文中统称或总称为节点102)。各节点12由中央开关104互连。每个节点102包含至少一个带有时基寄存器的处理器，如PowerPC处理器。在一个实施例中，每个节点102都是以对称多处理器(SMP)数据处理系统的形式实现的。在最佳实施例中，将中央开关104配置得如同有源器件那样能接收命令并启动和响应指向它的包。这样，就可以把包直接定址到中央开关104而不是任何节点102。当然，尽管所表示的实施例把系统100图解成有四个节点102，系统100的其它形式的实施例可以有更少或更多的这种节点。
现在来看图2，图中表示适合用作本发明的NUMA系统的节点的节点102的框图。在图2中所示的实施例中，节点102是个SMP系统，包含一组处理器202a至202n(统称或总称为处理器202)。处理器202通过系统总线204连接系统存储器207。总线桥206把系统总线204连接到与I/O适配器210相连的外围总线208。外围总线208可以包含各种工业标准外围总线(例如包括ISA、PCI、EISA、AGP)和其它适合的外围总线中的任何外围总线。此外，节点102可以包含多个这种外围总线。节点102进一步包含一个与系统总线204相连、适合连接到中央开关104的NUMA控制器212。控制器212提供节点对节点和节点对开关的通信。
现在来看图3，图中表示关于系统100的节点102a与开关104之间的互连的其它细节。在所示实施例中，节点102a的每个处理器包含一个时基寄存器304。在一个实施例中，指定第一处理器202a为每个节点102的节点同步处理器(NSP)。NSP 202a的时基寄存器304是NUMA控制器212可访问的，将后者设置成能通过端口310a与开关104通信。在一个实施例中，诸如用PowerPC处理器实现节点102a的实施例中，可以将时基寄存器304设定为任何值。(这个实施例与用Intel IA-32处理器实现处理器202的实现不同，在后一种实现中，任何修改时基寄存器内容的企图会导致寄存器内容变成零)。为满足单调性要求，最好总是把时基寄存器304的值设定为比上一次设定的更高的值。
现在来看图4，所示的是按照本发明的中央开关104的其它细节。在所示实施例中，中央开关104包含一个与存储器403(如ROM或其它非非易失性存储器)相连的处理器，存储器中含有处理器可执行的、适合启动和执行下文将结合图5作更详细说明的节点同步过程的指令。中央开关104一般进一步包含为处理器401提供暂存器的随机存取存储器(未予示出)。所示的中央开关104的实施例进一步包含均与处理器401相连的时基寄存器306和递减寄存器402。
中央开关104进一步包含一组端口310a、310b、310c、310d(统称或总称为端口310)。每个端口310对应于并适于连接到系统100的一个节点102。每个端口310可包含一个端口寄存器404，后者通过一种用于在中央开关104上本地地存储时基寄存器值的装置而便于对节点102的同步。在这个实施例中，处理器410与每个端口310相连，并能从端口寄存器404读取值和向端口寄存器404写值。
在一个实施例中，每个端口310的端口寄存器404都有与对应节点102的时基寄存器304相同的位数。此外，图4中所示的开关104包含一个额外的端口，它支持与局域网或串行线路的连接。在一个实施例中，这个额外的端口312提供一种用于管理开关104的方法。
在该最佳实施例中，在存储器403中存储的处理器可执行指令使开关104能一通过从节点102提取时基寄存器值、根据所提取的时基值确定一个公用的时基值、把所确定的时基值广播回每个节点102-同步各节点102的时基寄存器。如图4中所示，开关104进一步包含一个最好被用来控制同步过程的频率的递减寄存器402。例如，在一个实施例中，当寄存器402中的值达到零时，递减器402就发出一个启动同步过程的中断。
在该最佳实施例中，开关时基寄存器值306被更新的频率是可调节的。对开关时基寄存器值306的频率的调节的实现方法可以是，在执行通电流程(power on sequence)期间，设置一个乘法器或除法器，使得开关104能符合每个NSP 202a的假设是非一致的频率。然而，如果开关时基寄存器值306的频率是不可调节的，本发明的同步机构能通过相应地乘、除它向每个节点102发送的时间值而弥补可调节频率的缺少。此外，如果开关104有乘法和除法功能，开关104就能支持其中的各种NSP202a以不同频率运行的NUMA系统100。在一个其中各种NSP 202a的频率与开关104的频率彼此有简单的2的乘方关系的实施例中，能以简单的位移操作的形式实现乘法功能和除法功能。
在该最佳实施例中，开关104能向各种节点102的所有NUMA控制器212广播包并能向特定的适配器发送包。本发明设想由同步方法协议使用的至少四个特殊包类型的实现。这四个包类型包括保持传输包类型、恢复传输包类型、读时基(RTB)包类型和写时基(WTB)包类型。将保持传输包类型向每个NUMA控制器212广播。被NUMA控制器212接收到时，保持传输包类型使控制器保持所有向外的包，以便让各种节点102之间的互连能排除正常的传输，由此使得有可能以确定的时间延迟传送同步包。恢复传输包类型，正如其名称的意思那样，也被广播到每个NUMA控制器212，指示控制器恢复正常操作。恢复传输包类型被用来在同步过程结束时恢复正常操作。RTB包类型和WTB包类型被用来设定和提取各种NSP 202a的时基寄存器值。RTB包类型读取包定址到的节点102的NSP202a的时基寄存器304，将时基值返回到在对应端口寄存器404中存储所提取值的开关104。WTB包类型把适当的端口寄存器404的时基值写到对应NSP 202a的时基寄存器304。
如果某RTB包类型的广播与时基值的接收(假设没有其它的互连传输)之间的时间(TR)是已知且固定的，时基同步机构是最优的。类似地，WTB包类型的广播与在每个NSP 202a的时基寄存器304中新时基值的设定之间的时间(TS)最好也是已知且固定的。每个NUMA控制器212最好能访问其对应NSP 202a的时基寄存器304。例如，在一个实施例中，将每个NSP 202a上的固件设置得能响应来自NUMA控制器212的专用中断，从NUMA控制器212读出在时基寄存器304中存储的时基值，或者把在时基寄存器304中存储的时基值写到NUMA控制器212。应当注意，读和写的意思可以反过来，即当NSP 202a从NUMA控制器212读取一个时基值时，它把新的值写入时基寄存器304，而写NUMA控制器212则是把时基寄存器304的当前值读到NUMA控制器212。
现在来看图5，图中所示的流程图，表示一种同步数据处理系统的节点集合(如NUMA系统100的各节点102)的方法500。概括地说，开关104同步各节点102的方法是，从每个节点提取时基寄存器值，然后，根据所提取的这组时基值，确定一个公用时基值。然后将公用时基值广播到每个节点，以便把公用时基值存储在每个节点的时基寄存器值中。
如图5中所示，同步方法500包含初始功能框502，节点102集合之间的包传输在此停止。在一个实施例中，开关104在读时基寄存器值之前通过向每个节点102广播一个保持传输包类型而停止包传输。在保持传输包类型的广播之后，开关104监测经过它的包传输，确定(功能框505)包传输是否已经减少的足以能继续该同步方法。在一个实施例中，如果在预定时间Tw内检测不到包，则认为包传输被充分地停止。换言之，系统100不断监测包传输(如图5中功能框505至功能框504的反馈回路所表示的那样)，直到包传输减少到预定阈值之下为止。
当检测不到包传输时，开关104向每个节点102广播一个RTB包类型(功能框506)。每个NUMA控制器212根据接收的读时基包作出响应，从其对应的时基寄存器304中提取当前的时基值。如前文指出的那样，从每个NSP 202a中提取时基寄存器值的实现方法可以是，设置NUMA212根据从开关104接收的读时基包向NSP 202a发出一个专用中断，并设置每个NSP 202a返回时基寄存器304中的值。
在每个节点102接收到时基寄存器值(功能框508)以后，开关104根据所收到的各时基值确定一个公用时基值。在所示实施例中，公用时基值的确定，在功能框510、512和514中进行。在功能框510中，开关104调整从每个节点接收的时基值，以反映从每个节点102提取时基寄存器值所需的周期数(即时间量)。在一个实施例中，功能框510中对时基寄存器值的调整，是通过把一个数TR加到每个被接收值上而完成的，其中TR代表以前确定的系统100的延迟特性。更具体来说，TR代表当正常的包传输被挂起时从一个系统节点提取一个时基寄存器值所需的时间。在功能框510中调整每个时基寄存器值之后，在功能框512中确定调整后各时基值的最大值。
在开关104包含其自己的时基寄存器306的实施例中，在确定公用时基值时，可以包括时基寄存器306的值，使得最大时基值是从节点102接收的时基值的最大值与寄存器306中的时基值相比的最大值。选择最大值作为公用时基值，是符合时基寄存器304的单调性约束条件的。换言之，选择最大值作为公用时基值，本方法保证每个时基寄存器304将被设定为大于(可能等于)现有值的值。
在功能框504中，进一步调节在功能框512中确定的最大值，以反映在每个NSP 202a中设定值所需的时间量。在一个实施例中，功能框514中的调节包括把一个时间常数TS加到在功能框512中确定的最大值上，其中TS代表开关104在时基寄存器值304的其中之一中写一个值所需的时间(假设没有遇到包传输延迟)。
在功能框514中调节时基寄存器值之后，在功能框516中用一个写时基包把调整后的时基值广播到每个NUMA控制器212。每个NUMA控制器212接收到调整过的值后的响应是，将来自开关104的时基值存储在对应的时基寄存器值304中。开关104在向每个节点102广播时基值后，设定其自己时基寄存器306的值(功能框518)，然后，通过向每个节点广播一个恢复包传输类型，启动各节点102之间正常包传输的恢复(功能框520)。
将递减器402中的该值用来控制再同步的频率。可以根据在再同步过程中接收的时基值的范围，调整递减器402中的值，如果各值接近就使再同步的频率慢一些，如果各值相差较远就使再同步的频率快一些。可以定期地重复同步过程，保持随着时间推移在各种时基寄存器之间的一致性。在一个实施例中，每当某寄存器(正如递减寄存器402)中的值达到预定值(如零)时，就调用上述方法500。在这个实施例中，递减器402中的初始值反映再同步的启动频率。
对于理解了本说明的本领域中的技术人员来说，显然，本发明提出了一种用于同步多节点系统上时基寄存器的机构。当然，在说明书以及附图中所展示和说明的本发明的形式应当仅仅作为在目前的最佳实施例。紧接的权利要求旨在充分地包含所披露的最佳实施例的所有变型。

Claims (20)

1.一种用于在非一致性存储器体系结构数据处理系统中同步节点集合的方法，包含以下步骤：
在停止节点集合之间的包传输之后，从节点集合的每个节点读取时基寄存器值；
根据从节点集合的每个节点接收的时基寄存器值的集合确定一个公用时基寄存器值，其中，确定公用时基寄存器值包括选择从节点集合的每个节点读取的时基寄存器值的最大值；和
将公用时基寄存器值广播到节点集合的每个节点。
2.如权利要求1的方法，其中，停止包传输包含向节点集合的每个节点广播一个停止传输包。
3.如权利要求1的方法，还包含，在广播公用时基寄存器值后，恢复节点集合之间的包传输。
4.如权利要求3的方法，其中，恢复包传输包含向节点集合的每个节点广播一个恢复传输包。
5.如权利要求1的方法，其中，读取时基寄存器值包括根据接收的读时基包从一个节点控制器向该节点的第一个处理器发出一个中断。
6.如权利要求1的方法，其中，确定公用时基寄存器值进一步包括用一个调节因数调节最大时基寄存器值。
7.如权利要求6的方法，其中，调节因数是当停止节点集合之间的包传输时读一个时基寄存器值所需的时间和设定一个时基寄存器值所需的时间的函数。
8.如权利要求1的方法，还包含定期地重复该同步过程以保持节点集合之间的同步。
9.如权利要求8的方法，其中，每当一个递减寄存器值达到零时，启动同步。
10.如权利要求1的方法，其中，读取时基寄存器值包括向节点集合的每个节点发出一个读时基包类型信号。
11.如权利要求1的方法，其中，广播公用时基寄存器值包括向节点集合的每个节点发出一个写时基包类型信号。
12.一种非一致性存储器体系结构数据处理系统，包含：
一个节点集合，其中每个节点包括至少一个具有一个时基寄存器的处理器和一个适合于读与写时基寄存器值的适配器；
一个与每一个节点的适配器相连的中央开关；
其中，中央开关被设置为通过提取每一个时基寄存器的值、根据所提取的值确定一个公用时基寄存器值以及将公用时基寄存器值广播到每个节点来同步时基寄存器，其中，确定公用时基寄存器值包括选择从节点集合的每个节点读取的时基寄存器值的最大值。
13.如权利要求12的系统，其中每个节点还包括控制器，将每个节点的控制器设置为向至少一个处理器发出一个中断，以及其中将该处理器设置为通过向适配器返回该处理器的时基寄存器的值来响应该中断。
14.如权利要求12的系统，其中，中央开关包括对应于节点集合的每个节点的端口集合，以及其中端口集合的每个端口包含一个适合于存储从对应节点的时基寄存器中提取的值的端口寄存器。
15.如权利要求12的系统，其中，中央开关进一步包含一个递减寄存器，其中，中央开关在递减寄存器的值等于零时启动时基寄存器的同步。
16.如权利要求15的系统，其中，用于启动同步过程的频率是可调节的，以及其中通过调节递减寄存器的初始值来控制所述频率。
17.如权利要求12的系统，其中，中央开关的操作频率不同于所述节点集合之中的一个节点或两个节点或两个以上节点的操作频率，并且中央开关包含一个用于补偿操作频率的差异的乘法/除法电路。
18.非一致性存储器体系结构数据处理系统中的一种中央开关，包含：
一个端口集合，每个端口对应于数据处理系统的一个节点，其中，每个端口适合于连接到数据处理系统的一个节点，并且每个端口包含一个适合于存储从对应节点的时基寄存器中提取的值的端口寄存器；
一个处理器，与每个端口相连并且能对端口寄存器读与写；和
一个设置有处理器可执行指令的存储器，这些指令用于从每个节点提取时基寄存器值、根据所提取的时基寄存器值确定一个公用时基寄存器值以及将公用时基寄存器值广播到每个节点，其中，确定公用时基寄存器值包括选择从节点集合的每个节点读取的时基寄存器值的最大值。
19.如权利要求18的中央开关，还包含一个与处理器相连的开关寄存器，其中，处理器在开关寄存器中存储所确定的公用时基寄存器值。
20.如权利要求18的中央开关，还包含一个与处理器相连的递减寄存器，其中，中央开关在递减寄存器中的值达到零时启动时基寄存器的同步。
CNB011195401A 2000-05-25 2001-05-24 Numa数据处理系统及其同步节点集合的方法与中央开关 Expired - Fee Related CN1199121C (zh)

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