嵌入式OS設計策略解讀|憶聯企業級SSD高可靠、高性能的實現方法

企業級SSD需要在大量企業數據讀寫下保持超高穩定性，以及24 小時全天候運行，SSD的讀寫速度、使用壽命、穩定性及可靠性是企業級用戶關注的重點。為滿足用戶對企業級SSD高性能、低延時、輕量級、高可靠等需求，憶聯設計并開發了適合SSD的嵌入式操作系統(Operating System，縮寫：OS)，并在其上構建了可復制性強的SSD 控制器軟件系統。

嵌入式軟件分為三個層次，即驅動層、OS層、業務層。業務層集結了龐大復雜的產品功能，負責處理業務邏輯的部分，通常包括接口協議、業務功能實現、系統數據保存等；驅動層把設備的硬件訪問抽象成軟件接口，為OS層和業務層服務；OS層為業務層提供軟件平臺服務，讓業務層可以聚焦在實現龐大復雜的軟件功能上。

圖1

通用的OS功能很多，包括處理器管理、內存管理、設備管理、文件管理、作業管理等，而對于嵌入式OS來說，主要聚焦在處理器管理、內存管理等核心功能上，本文則重點闡述處理器管理、互斥、通信。

SSD系統的處理器架構和OS部署

在PCIe 4.0時，SSD的讀寫帶寬達到8GB/s， PCIe 5.0時SSD的讀寫帶寬可能達到16GB/s。為了實現SSD的高性能，通常SSD控制器會使用多CPU、甚至多Cluster的處理器架構，分別用于SSD業務計算和Nand flash操作。

圖2

在多處理器、多Cluster架構下，業務部署時可以選擇SMP模式、AMP模式、或者SMP和AMP混合模式。在SSD系統里，基本上都是SMP模式和AMP模式混合，OS要負責程序調度、互斥、通信功能。在嵌入式系統中的AMP模式的通信，可以類比為通用系統里多進程之間的通信，因為沒有全局數據可用，要借助外部存儲空間進行通信。

憶聯OS的調度策略

常規的OS調度對象都是線程，且每個線程有自己的堆棧和優先級，具有搶占機制。憶聯在設計SSD嵌入式系統時，通過分析發現，線程調度開銷大、線程之間存在較為復雜的互斥問題、容易出現優先級逆轉死鎖問題，加之線程運行的隨機性和無序性，讓系統時刻處于“不確定”狀態。因此，憶聯SSD選擇了自創的“功能代碼(入口函數及其調用的全部函數)”調度策略。為了描述方便，本文把這些可以被OS調度的“功能代碼(入口函數及其調用的全部函數)”，稱為SSD系統里的“事務”。

在SSD系統里的程序，不再以線程方式組織，而是以一個個不會阻塞的獨立“事務處理流程”方式組織。這些“事務處理流程”可以以各種方式被OS調度。

• 事務的主要特征：

（1）不會阻塞。一個事務完成一個特定的計算，它在計算過程中，不需要等待外設動作，會一直運行到結束。如果一個流程會被阻塞，則需要在阻塞點切分為多個獨立的事務。一旦一個事務被CPU執行，則一定會執行到事務結束。在系統里，除了每個CPU正在執行的事務是運行狀態，其他事務都處在結束狀態。比起線程的阻塞狀態態，事務狀態變得極其簡單。

（2） 事務共享堆棧。事務執行完成時，不再有局部變量需要保存在堆棧里。事務共享堆棧，堆棧需求小，調度時也沒有了堆棧切換的開銷。

（3）同一個CPU，事務串行執行。一個CPU里的事務，一定是執行完畢一個事務后，才能開始執行下一個事務。同一個事務，在一個CPU上不會重入。

（4）SMP模式下事務間互斥變得簡單。見圖3。

圖3

備注：

（1）事務完成時，不會持有全局變量的訪問鎖。

（2）AMP之間不存在全局共享數據，不存在互斥。

• 事務的調度方式

圖4

• 事務優先級和實時性

一次性事務具有事務優先級功能。OS接受一次性事務調度請求，通過高優先級來處理系統里一些緊急事務，以此達成特定事件的實時處理。

圖5

• 中斷與事務

前面已經講述在憶聯OS里，同一個CPU里事務之間不會出現搶占，只有當一個事務運行完成后，才會運行另外一個事務，但是中斷依然具有搶占功能。

中斷處理程序遵循常規的中斷處理流程，中斷到來時，還是會搶占當前事務。當中斷到來時，OS會把當前運行的事務程序壓棧，跳轉到中斷處理程序運行，中斷處理程序完成后，被中斷的事務程序被恢復運行。

中斷處理程序運行時也是使用事務程序運行時的堆棧。

中斷處理程序具備的搶占功能，可以滿足系統里對于實時性要求高的場景，但同時也帶來了中斷和事務之間的互斥問題。中斷和事務的互斥方式如圖六。

圖6

中斷處理程序實現時，可分為中斷上半部和下半部。上半部讀取外設數據，下半部發送事務消息到OS調度處理。中斷下半部的互斥就變成了事務之間的簡單互斥方式了。中斷發給OS的事務調度消息，可以根據需要選擇使用“緊急、高、常規”優先級。

• 中斷處理舉例：IPC中斷

一般來說，IPC中斷用于AMP與 CPU之間的通信。

發送方把數據寫入共享的DDR后，發送IPC中斷給接受方。

接收方的IPC中斷程序讀取DDR里的通信數據，然后發送事務消息到自己的OS，OS按照事務進行調度處理該事務消息。

中斷處理程序讀取DDR里的通信數據，就是中斷上半部。讀取通信數據并做具體處理，則是事務完成，是中斷的下半部。

總結

通過事務調度思路，憶聯實現了旗下企業級SSD產品的高性能和高可靠性，業務功能的設計、實現、擴展都變得更加簡單和靈活，業務功能的代碼復用也變得更簡單，這讓憶聯在開發新代次SSD時，可以很好地繼承已有代次SSD產品的功能和品質，保障憶聯可以持續為客戶提供高品質SSD產品與存儲解決方案。

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