On the construction of a software architecture for nuclear systems on a crystal

Abstract

The article discusses how to build software architecture for multi-core systems on a chip (SoC), based on asym-metric and symmetric multiprocessing, the hypervisor. Asymmetric multiprocessing is a port for several operating systems on physi-cally separate processor cores. In symmetric multiprocessing in systems with core isolation, one OS is launched on several cores. OS SMP- system is ported without user intervention with a growing number of cores. Since all cores are managed by a single OS, message transfer between cores can occur at the L1 data cache level, providing faster communication with less jitter. Kernel isola-tion allows you to reserve a kernel for a hard real-time application, protecting it from the influence of other high-performance ker-nels, which for the software architecture allows you to select your operating system without creating low-level software when man-aging multiple operating systems. The hypervisor refers to a low-level software system. It manages several independent operating systems that are at a higher level. Developing multi-core systems-on-chip offerings focused on the embedded market are well suited for asymmetric multiprocessing configurations. This architecture is useful for developers who use the performance of a real-time operating system in combination with a diverse set of Linux kernel functions. The article discusses the software and hardware solu-tions contained in the XAPP1079 environment, which are required to run Linux on a single Zynq-7000 All Programmable system on a chip, and open source applications on the second core. Designing systems based on systems on a chip for high-performance and а real-time applications requires an optimal solution taking into account the factors: data transfer time; separation of the operating system. A system solution for high-performance and real-time applications using a symmetric multiprocessor processing architecture with kernel isolation provides low latency, jitter and real-time system operation, while maintaining software SoC scalability. Pro-grammable logic integrated circuits containing multi-core subsystems have an efficient architecture with symmetric multiprocessing of data to ensure a compromise between the actual data transfer time and the low latency of their processing. The advantages of using symmetric multiprocessing manifest themselves if the load is distributed among several resources. In this case, the time re-quired to complete the task is reduced. However, the performance gain brought about by a simple multiplication of the number of performers will not necessarily be linear. Some tasks should be performed only sequentially. Multi-core systems are able to process packages much more efficiently than single-core ones - but only if they are managed by optimized software. It is expedient to develop multi-core computing software, including an OS with support for symmetric and asymmetric multiprocessor data processing archi-tectures, an embedded hypervisor, high-speed packet processing modules, and an exhaustive set of tools for the entire cycle of multi-core computing systems. The results of such development will find application in multiprocessor supercomputers and server applica-tions, in terminal devices, access aggregators and basic devices - where the highest throughput is required.

У статті розглянуті способи побудови програмної архітектури для багатоядерних систем на кристалі (SoC), осно-ванні на асиметричною і симетричною багатопроцесорної обробки, гіпервізора. Асиметрична многопроцессор-ная обробка являє собою порт для декількох операційних систем на фізично окремих процесорних ядрах. У симетричній багатопроцесорної обробки в системах з ізоляцією ядер запускається одна ОС на декількох ядрах. ОС SMP-системи пор-тується без участі користувача при зростаючій кількості ядер. Оскільки всі ядра підкоряються одній ОС, передача сооб-ще-ний між ядрами може відбуватися на рівні L1 кеша даних, забезпечуючи більш швидкий зв'язок з меншим джиттером. Ізоляція ядра дозволяє зарезервувати ядро для застосування жорсткого реального часу, захищаючи його від впливу інших високопроизводит-них ядер, що для програмної архітектури дозволяє вибрати використовувану ОС, не створюючи про-грамне забезпечення низького рівня при управлінні декількома ОС. Гипервизор відноситься до системи низького програмно-го рівня Вон управляє декількома незалежними ОС, що знаходяться на більш високому рівні. Багатоядерні пропозиції си-стем на кристалі, орієнтовані на вбудований ринок, добре підходять для конфігурацій з асиметричною багатопроцесорної обробкою. Подібна архітектура корисна розробникам, що використовують продуктивність операційної системи реально-го часу в поєднанні з різноманітним набором функцій ядра Linux. У статті розглянуті програмні і апаратні рішення, що містяться в середовищі XAPP1079, необхідні для запуску Linux на одному процесорному ядрі Zynq-7000 All Programmable системи на кристалі, і додатки з відкритим вихідним кодом на другому ядрі. Проектування систе-ми на базі систем на кристалі для високопродуктивних додатків і додатків реального часу вимагає оптимального рішення з урахуванням фак-торів: часу передачі даних; поділу операційної системи. Системне рішення для високопродуктивних додатків і додатків реального часу з використанням симетричною багатопроцесорної архітектури обробки даних з ізоляцією ядра забезпечує малі затримки, джиттер і роботу системи в ре-жимі реального часу, зберігаючи при цьому програмну масштабованість SoC. Програмовані логічні інтегральні схеми, які містять багатоядерні підсистеми, мають ефективної архітектурою із симетричною багатопроцесорної обробкою даних для забезпечення компромісу між реальним часом передачі даних і малою затримкою їх обробки. Переваги використання симетричною багатопроцесорної обробки проявляються, якщо розподілити навантаження між декількома ресурсами. У цьому слу-чаї час, необхідний для виконання завдання, зменшується. Однак приріст продуктивності, що привноситься простим множенням числа виконавців, не обов'язково буде лінійним. Деякі зав-дання повинні виконуватися тільки послідовно. Багатоядерні системи здатні обробляти пакети значно ефективніше одно-ядерних - але тільки за умови, що ними керує оптимізатора-зірованним програмне забезпечення. Доцільною є розробка про-грамного забезпечення багатоядерних обчислень, вклю-чающего ОС з підтримкою симетричною і асиметричною багато-процесорної архітектури обробки даних, вбудований гипервизор, модулі швидкісної обробки пакетів, а також вичерпний набір інструментарію для всього циклу розробки багатоядерних обчислювальних систем. Результати такої розробки знайдуть застосування в багатопроцесорних суперкомп'ютерах і серверних при-положеннях, в кінцевих пристроях, агрега-торах доступу і базових пристроях - там, де потрібно найбільша пропускна здатність.