Linux对NUMA技术的支持

并行计算的背景：

自计算机诞生之日起，对其提供更强计算能力的追求始终没有间断。早期的计算机通过不断地提高时钟频率来加快处理速度。现在，时钟的问题越来越遇到限制，根据爱因斯坦相对论，电子的速度不会超过光速，频率的不断提高，意味着电子信号从一段到达另一端的距离就要越短，计算机就要不断变小。但是，伴随时钟的加快，处理器的热量也急剧增大，散热部件必不可少，迫使计算机的体积不可能无限制的减小，通过加快时钟来增强计算能力的方法遇到了瓶颈。

既然不能将计算机无限变小，那么就尝试另一种思路，通过扩展计算单元的数量，达到增强计算能力的目的。于是就有了多处理机系统，包括并行计算机，以及分布式计算机系统。NUMA（Non Uniform Memory Access）作为多处理机系统一种典型架构，具有区别于其他多处理机系统的特性。

1.具有对所有CPU可见的统一的地址空间

2.通过LOAD、STORE指令访问远端存储器

3.访问远端存储器的速度低于访问本地存储器

NUMA系统简介：

NUMA（Non Uniform Memory Access），即非一致内存访问，是针对UMA（Uniform Memory Access）提出的。典型的UMA架构，如SMP（Symmetric
MultiProcessing）机器，多个CPU以及一个或多个主存储器模块通过一条系统总线通信。随着系统规模的扩大，CPU数量不断增加，对系统总线的争抢现象越发严重，系统总线带宽成为了多CPU访存的瓶颈。

NUMA架构下，多CPU对主存的访问并非对等的，每个CPU都有自己的主存， CPU与自己的主存物理上距离更近，访问速度更快，而访问远端存储器的速度相对要慢。NUMA用Node来管理CPU与主存。一个NUMA系统由多个NUMA
Node组成，其中每个Node可以拥有多个CPU，但是只有一个内存控制器，保证本Node的所有CPU对本Node的主存实现对等访问，而其它Node的CPU对本Node的主存访问延迟要大一些。

NUMA系统的启动流程：

系统加电，对于单CPU机器，CPU直接执行BIOS程序，但是对于多处理机系统，由哪个CPU执行该程序是个问题。针对这个问题，Intel提出了Multiple
Processor Initialization Protocol，该协议规定了两种类型的CPU，作为主启动CPU的BSP（Bootstrap Processor），作为应用服务CPU的AP（Application
Processor），系统加电后通过主板上的硬件选择机制，选择一个CPU作为BSP，而将其它CPU作为AP。（具体的协议与选择算法细节，参考《IA-32
Architectures Software Developer's Manual 3A》，Chapter 7，Multiple Processor Management）[1]在BSP上执行BIOS程序，读取/设置CMOS相关信息，并完成自检程序，为其它AP建立管理列表，此时所有AP均处于空转状态。

Linux通过读取系统的firmware中的ACPI表，获得NUMA系统的CPU及物理内存分布信息，最重要的是SRAT（System
Resource Affinity Table）和SLIT（System Locality Information Table）。SRAT中包含两个结构，Processor Local APIC/SAPIC
Affinity Structure用于记录CPU信息，Memory Affinity Structure用于记录主存信息[3]。Linux kernel中通过include/acpi/actbl1.h中acpi_table_slit与acpi_table_srat记录SLIT与SRAT结构信息，通过acpi_numa_init()函数读取系统firmware中的数据，赋值给以上两个结构，用于NUMA系统初始化。代码（以Linux2.6.36
kernel为例）如下：

start_kernel()(init/main.c) -> setup_arch()(arch/x86/kernel/setup.c) -> acpi_numa_init()(drivers/acpi/numa.c)

[cpp]
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<span style="font-size:14px;">int __init acpi_numa_init(void)
{
int ret = 0;

/* SRAT: Static Resource Affinity Table */
if (!acpi_table_parse(ACPI_SIG_SRAT, acpi_parse_srat)) {
acpi_table_parse_srat(ACPI_SRAT_TYPE_X2APIC_CPU_AFFINITY,
acpi_parse_x2apic_affinity, nr_cpu_ids);
acpi_table_parse_srat(ACPI_SRAT_TYPE_CPU_AFFINITY,
acpi_parse_processor_affinity, nr_cpu_ids);
ret = acpi_table_parse_srat(ACPI_SRAT_TYPE_MEMORY_AFFINITY,
acpi_parse_memory_affinity,
NR_NODE_MEMBLKS);
}

/* SLIT: System Locality Information Table */
acpi_table_parse(ACPI_SIG_SLIT, acpi_parse_slit);

acpi_numa_arch_fixup();
return ret;
}

相关结构在文件include/acpi/actbl1.h中：
/*******************************************************************************
*
* SLIT - System Locality Distance Information Table
* Version 1
*
******************************************************************************/

struct acpi_table_slit {
struct acpi_table_header header; /* Common ACPI table header */
u64 locality_count;
u8 entry[1]; /* Real size = localities^2 */
};

/*******************************************************************************
*
* SRAT - System Resource Affinity Table
* Version 3
*
******************************************************************************/

struct acpi_table_srat {
struct acpi_table_header header; /* Common ACPI table header */
u32 table_revision; /* Must be value '1' */
u64 reserved; /* Reserved, must be zero */
};

/* Values for subtable type in struct acpi_subtable_header */

enum acpi_srat_type {
ACPI_SRAT_TYPE_CPU_AFFINITY = 0,
ACPI_SRAT_TYPE_MEMORY_AFFINITY = 1,
ACPI_SRAT_TYPE_X2APIC_CPU_AFFINITY = 2,
ACPI_SRAT_TYPE_RESERVED = 3 /* 3 and greater are reserved */
};

/*
* SRAT Sub-tables, correspond to Type in struct acpi_subtable_header
*/

/* 0: Processor Local APIC/SAPIC Affinity */

struct acpi_srat_cpu_affinity {
struct acpi_subtable_header header;
u8 proximity_domain_lo;
u8 apic_id;
u32 flags;
u8 local_sapic_eid;
u8 proximity_domain_hi[3];
u32 reserved; /* Reserved, must be zero */
};

/* Flags */

#define ACPI_SRAT_CPU_USE_AFFINITY (1) /* 00: Use affinity structure */

/* 1: Memory Affinity */

struct acpi_srat_mem_affinity {
struct acpi_subtable_header header;
u32 proximity_domain;
u16 reserved; /* Reserved, must be zero */
u64 base_address;
u64 length;
u32 reserved1;
u32 flags;
u64 reserved2; /* Reserved, must be zero */
};
</span>

Reference：

[1]《IA-32 Architectures Software Developer's Manual
3A》

[2] https://www.kernel.org/doc/ols/2003/ols2003-pages-169-184.pdf

[3] http://www.acpi.info/DOWNLOADS/ACPIspec40a.pdf

[4] http://lwn.net/Articles/7177/

[5] http://wenku.baidu.com/view/40f93e05eff9aef8941e06d4.html

[6] http://www.techarp.com/showfreebog.aspx?lang=0&bogno=351

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