Синхронизация

На машинном уровне межпроцессорная синхронизация обеспечивается префиксом LOCK, предоставляющим команде монопольный доступ к памяти. Все посягательства со стороны остальных процессоров (если они есть) блокируются. Обычно LOCK используется совместно с командами, устанавливающими или снимающими флаги, сигнализирующие о том, что указанная структура данных в настоящий момент модифицируется процессором, и потому лучше ее не трогать.

Многопроцессорные ядра содержат множество LOCK, встречающихся в самых неожиданных местах, и съедающих вполне ощутимый процент производительности, поэтому многопроцессорные ядра всегда медленнее. В однопроцессорных ядрах часть LOCK убрана полностью, вместе с примыкающими к ним флагами, а часть заменена более быстродействующими NOP. Общая же структура ядра сохранена в более или менее неизменном виде (рис. 4).

Рисунок 4. ACPI как корневой перечислитель

ACPI и IRQ

Прерывания – их мифическая разводка, неиссякаемый источник слухов, сплетен, легенд и суеверий. Попробуем с ними разобраться.

Все x86-процессоры (за исключением старших моделей Intel Pentium-4) управляют прерываниями через специальный интерфейсный вывод, обычно обозначаемый как INTR, высокий уровень сигнала на котором свидетельствует о поступлении запроса на прерывание. Процессор прекращает текущую работу, вырабатывает сигнал подтверждения прерывания (Interrupt Acknowledge) и считывает с шины данных 8-битный номер вектора перекрывания (INT n), переданный контроллером прерываний, обычно реализуемым на правнучатых племянниках микросхемы i8259 и территориально находящийся в южном мосту чипсета.

За вычетом 32 прерываний, зарезервированных разработчиками процессора, мы имеем 224 прерывания, пригодных для обработки сигналов от периферийных устройств. Означает ли это, что верхнее ограничение на максимальное количество одновременно поддерживаемых устройств равно 224? Нет! Некоторые из древних процессоров имели всего лишь один вектор прерывания, но это ничуть не мешало им управлять десятком устройств одновременно. Как? Да очень просто. Что такое прерывание? Всего лишь способ устройства обратить на себя внимание. При наличии достаточного количества свободных векторов за каждым из устройств может быть закреплено свое персональное прерывание, однозначно указывающее на источник сигнала. Это существенно упрощает как проектирование самих устройств, так и разработку обслуживающих их драйверов, однако отнюдь не является необходимым. Получив сигнал прерывания, процессор может опросить все устройства по очереди, выясняя, кто из них затребовал внимания. Естественно, это достаточно медленная операция, выливающаяся в десятки дополнительных операций ввода/вывода и к тому же потенциально небезопасная, т.к. малейшая ошибка разработчика оборачивается серьезными конфликтами. Короче говоря, для достижения наивысшей стабильности и производительности системы каждое прерывание должно использоваться не более чем одним устройством.

Контроллер прерываний, используемый в IBM XT, поддерживал восемь аппаратных прерываний, обозначенных IRQ (Interrupt Request) и пронумерованных от 0 до 7. Номер IRQ соответствует приоритету прерывания: чем больше номер – тем ниже приоритет. Во время обработки более приоритетных прерываний генерация менее приоритетных подавляется и соответственно, наоборот, менее приоритетные прерывания вытесняются более приоритетными. Считается, чем больше ресурсов требует устройство, тем выше должен быть приоритет его IRQ. Это неверно. Выбор предпочтительного IRQ, определяется отнюдь не «прожорливостью» устройства, а критичностью потери прерывания. Допустим, сетевая карта, видя, что входной буфер практически полон, а данные по витой паре продолжают поступать, сгенерировала прерывание, которое было вытеснено прерыванием звуковой карты, имеющей более высокий приоритет и сигнализирующей об опустошении выходного буфера. Если драйвер звуковой карты ненароком замешкается и удержит обработчик прерывания дольше положенного, входной буфер сетевой карты переполнится, и часть пакетов окажется безвозвратно утеряна, и данные придется передавать вновь, что несколько снизит быстродействие сети. Является ли эта ситуация нормальной? Для кого-то да, а для кого-то и нет! Потерянных пакетов, конечно, жаль, но если поменять приоритеты местами, звуковая карта отреагирует на опустошение входного буфера суровым искажением воспроизводимого сигнала, чего в некоторых ситуациях ни в коем случае допускать нельзя. Никакого другого влияния на производительность выбор приоритетов не оказывает. Независимо от номера IRQ обработка прерывания занимает одно и то же время. От обработки остальных прерываний она также не освобождает. При условии, что аппаратные устройства и обслуживающие их драйверы реализованы правильно (т.е. более или менее безболезненно переживают потерю IRQ и «отпускают» прерывание практически сразу же после его возникновения), выбор приоритетов никакой роли не играет.