嵌入式OS设计策略解读｜忆联企业级SSD高可靠、高性能的实现方法

企业级SSD需要在大量企业数据读写下保持超高稳定性，以及24 小时全天候运行，SSD的读写速度、使用寿命、稳定性及可靠性是企业级用户关注的重点。为满足用户对企业级SSD高性能、低延时、轻量级、高可靠等需求，忆联设计并开发了适合SSD的嵌入式操作系统(Operating System，缩写：OS)，并在其上构建了可复制性强的SSD 控制器软件系统。

嵌入式软件分为三个层次，即驱动层、OS层、业务层。业务层集结了庞大复杂的产品功能，负责处理业务逻辑的部分，通常包括接口协议、业务功能实现、系统数据保存等；驱动层把设备的硬件访问抽象成软件接口，为OS层和业务层服务；OS层为业务层提供软件平台服务，让业务层可以聚焦在实现庞大复杂的软件功能上。

图1

通用的OS功能很多，包括处理器管理、内存管理、设备管理、文件管理、作业管理等，而对于嵌入式OS来说，主要聚焦在处理器管理、内存管理等核心功能上，本文则重点阐述处理器管理、互斥、通信。

SSD系统的处理器架构和OS部署

在PCIe 4.0时，SSD的读写带宽达到8GB/s， PCIe 5.0时SSD的读写带宽可能达到16GB/s。为了实现SSD的高性能，通常SSD控制器会使用多CPU、甚至多Cluster的处理器架构，分别用于SSD业务计算和Nand flash操作。

图2

在多处理器、多Cluster架构下，业务部署时可以选择SMP模式、AMP模式、或者SMP和AMP混合模式。在SSD系统里，基本上都是SMP模式和AMP模式混合，OS要负责程序调度、互斥、通信功能。在嵌入式系统中的AMP模式的通信，可以类比为通用系统里多进程之间的通信，因为没有全局数据可用，要借助外部存储空间进行通信。

忆联OS的调度策略

常规的OS调度对象都是线程，且每个线程有自己的堆栈和优先级，具有抢占机制。忆联在设计SSD嵌入式系统时，通过分析发现，线程调度开销大、线程之间存在较为复杂的互斥问题、容易出现优先级逆转死锁问题，加之线程运行的随机性和无序性，让系统时刻处于“不确定”状态。因此，忆联SSD选择了自创的“功能代码(入口函数及其调用的全部函数)”调度策略。为了描述方便，本文把这些可以被OS调度的“功能代码(入口函数及其调用的全部函数)”，称为SSD系统里的“事务”。

在SSD系统里的程序，不再以线程方式组织，而是以一个个不会阻塞的独立“事务处理流程”方式组织。这些“事务处理流程”可以以各种方式被OS调度。

事务的主要特征：

（1）不会阻塞。一个事务完成一个特定的计算，它在计算过程中，不需要等待外设动作，会一直运行到结束。如果一个流程会被阻塞，则需要在阻塞点切分为多个独立的事务。一旦一个事务被CPU执行，则一定会执行到事务结束。在系统里，除了每个CPU正在执行的事务是运行状态，其他事务都处在结束状态。比起线程的阻塞状态，事务状态变得极其简单。

（2） 事务共享堆栈。事务执行完成时，不再有局部变量需要保存在堆栈里。 事务共享堆栈，堆栈需求小，调度时也没有了堆栈切换的开销。

（3）同一个CPU，事务串行执行。一个CPU里的事务，一定是执行完毕一个事务后，才能开始执行下一个事务。同一个事务，在一个CPU上不会重入。

（4）SMP模式下事务间互斥变得简单。见图3。

图3

备注：

（1）事务完成时，不会持有全局变量的访问锁。

（2）AMP之间不存在全局共享数据，不存在互斥。

事务的调度方式

图4

事务优先级和实时性

一次性事务具有事务优先级功能。OS接受一次性事务调度请求，通过高优先级来处理系统里一些紧急事务，以此达成特定事件的实时处理。

图5

中断与事务

前面已经讲述在忆联OS里，同一个CPU里事务之间不会出现抢占，只有当一个事务运行完成后，才会运行另外一个事务，但是中断依然具有抢占功能。

中断处理程序遵循常规的中断处理流程，中断到来时，还是会抢占当前事务。当中断到来时，OS会把当前运行的事务程序压栈，跳转到中断处理程序运行，中断处理程序完成后，被中断的事务程序被恢复运行。

中断处理程序运行时也是使用事务程序运行时的堆栈。

中断处理程序具备的抢占功能，可以满足系统里对于实时性要求高的场景，但同时也带来了中断和事务之间的互斥问题。中断和事务的互斥方式如图六。

图6

中断处理程序实现时，可分为中断上半部和下半部。上半部读取外设数据，下半部发送事务消息到OS调度处理。中断下半部的互斥就变成了事务之间的简单互斥方式了。中断发给OS的事务调度消息，可以根据需要选择使用“紧急、高、常规”优先级。

中断处理举例：IPC中断

一般来说，IPC中断用于AMP与 CPU之间的通信。

发送方把数据写入共享的DDR后，发送IPC中断给接受方。

接收方的IPC中断程序读取DDR里的通信数据，然后发送事务消息到自己的OS，OS按照事务进行调度处理该事务消息。

中断处理程序读取DDR里的通信数据，就是中断上半部。读取通信数据并做具体处理，则是事务完成，是中断的下半部。

总结

通过事务调度思路，忆联实现了旗下企业级SSD产品的高性能和高可靠性，业务功能的设计、实现、扩展都变得更加简单和灵活，业务功能的代码复用也变得更简单，这让忆联在开发新代次SSD时，可以很好地继承已有代次SSD产品的功能和品质，保障忆联可以持续为客户提供高品质SSD产品与存储解决方案。