Protected User-Level DMA in SCI Shared Memory Umgebungen

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1 Protected User-Level DMA in SCI Shared Memory Umgebungen Mario Trams University of Technology Chemnitz, Chair of Computer Architecture 6. Halle Chemnitz Seminar zu Parallelverarbeitung und Programmiersprachen December 0 th 00, Chemnitz

2 Outline Background Speichermodelle SCI Basics Message Passing auf SCI? SCI und DMA Engine Erweiterung der herkömmlichen SCI Architektur

3 Background Allgemeines Arbeitsgebiet: zielt auf Message Passing Applikationen ab Shared Memory bzw. Distributed Shared Memory wird als Kommunikationsgrundlage missbraucht Ziel: Verbesserung der Architektur heutiger PCI SCI Kommunikationshardware, um möglichst das gesamte Leistungspotential bis zur Anwendung zu bringen möglichst gute Basis für effiziente Message Passing Bibliotheken zu schaffen 3

4 Speichermodelle Shared Memory: Mehrere Prozesse/Prozessoren einer parallelen Applikation arbeiten auf gleichen Speicherbereichen und können dadurch Informationen austauschen (z.b. auf einfachen Multiprozessorsystemen) mehr oder weniger implizite Kommunikation Bandbreitenproblem mit Hauptspeicher 4

5 Speichermodelle (cont.) Gegenteil: Distributed Memory Jeder Prozess(or) hat seinen eigenen Speicher und muss auf andere Art und Weise mit anderen Prozessen/Prozessoren kommunizieren (wie auch immer das geht). expliziter Nachrichtenaustausch kein Speicherbandbreitenproblem dafür Kommunikationsbandbreitenproblem 5

6 Speichermodelle (cont.) Distributed Shared Memory (DSM): Mischung aus beidem Prozessoren besitzen eigenen Speicher, jedoch besteht die Möglichkeit auf Speicher anderer Prozessoren zuzugreifen im Vergleich zu Distributed Memory schnelle Kommunikation, da keine Intervention durch Betriebssystem notwendig (User Level Kommunikation wie auch bei Shared Memory) 6

7 SCI Basics (cont.) SCI (Scalable Coherent Interface): eine Hardware Implementierung von DSM realisiert einen großen globalen Prozesse/Rechenknoten können lokalen Speicher dort verfügbar machen Prozesse/Rechenknoten können auf globalen verfügbare Speicherbereiche zugreifen (wie auf lokalen Speicher, nur langsamer NUMA) 7

8 DSM Beispiel: SCI Basics (cont.) globaler lokaler lokaler Speicher lokaler Speicher Speicher 8

9 DSM Beispiel: SCI Basics (cont.) globaler lokaler lokaler Speicher lokaler Speicher Speicher 8

10 DSM Beispiel: SCI Basics (cont.) globaler lokaler lokaler Speicher lokaler Speicher Speicher 8

11 DSM Beispiel: SCI Basics (cont.) globaler lokaler lokaler Speicher lokaler Speicher Speicher 8

12 SCI Eckdaten Eigenschaften der neuesten Generation: (Dolphin PCI-64/66 PCI SCI Karte) nutzbare Bandbreite > 300MByte/s (remote Write) Latenzzeit < µs (Application to Application) Verbindungstopologien: Ring (kleine Systeme) Torus (D, jetzt auch 3D) Switch basiert (auch mit Ring gemischt) momentan keine Cache Kohärenz wegen PCI 9

13 SCI und Message Passing SCI bietet hohe remote Write Bandbreite sowie sehr geringe Latenzzeit, letzteres durch Einfachheit des Datentransfers begründet (simple Speicherreferenz) fehlende Cache Kohärenz bei PCI SCI Adaptern und geringe remote Read Bandbreite macht PCI SCI problematisch für Shared Memory Applikationen die meisten SCI Systeme werden als Basis für Message Passing Applikationen eingesetzt 0

14 SCI und Message Passing (cont.) Problem bei Message Passing auf SCI: das Versenden von Messages geht zwar schnell, nimmt aber den Prozessor vollständig in Anspruch hohe Bandbreite ist Makulatur, da für die CPU keine Zeit für die eigentliche Berechnung übrig bleibt

15 SCI und Message Passing (cont.) Problem bei Message Passing auf SCI: das Versenden von Messages geht zwar schnell, nimmt aber den Prozessor vollständig in Anspruch hohe Bandbreite ist Makulatur, da für die CPU keine Zeit für die eigentliche Berechnung übrig bleibt Abhilfe: eine sog. DMA Engine in der Hardware, welche Daten blockweise im Hintergrund kopiert Überlappung von Berechnung und Datentransfer lohnt sich jedoch nur ab bestimmter Blockgröße

16 SCI mit DMA Engine Node Node Process A SCI Hardware SCI Hardware Process C phys. Memory virtual SCI physical Connection virtual SCI phys. Memory Process B DMA SCI SCI DMA Process D

17 SCI mit DMA Engine Node Node Process A SCI Hardware SCI Hardware Process C phys. Memory virtual SCI physical Connection virtual SCI phys. Memory Process B DMA SCI SCI DMA Process D

18 SCI mit DMA Engine Node Node Process A SCI Hardware SCI Hardware Process C phys. Memory virtual SCI physical Connection virtual SCI phys. Memory Process B DMA SCI SCI DMA Process D

19 SCI mit DMA Engine Node Node Process A Process B phys. Memory SCI Hardware DMA virtual SCI SCI physical Connection SCI SCI Hardware virtual SCI DMA phys. Memory Process C Process D

20 SCI mit DMA Engine Node Node Process A Process B 3 4 phys. Memory 3 SCI Hardware DMA virtual SCI 4 SCI physical Connection SCI SCI Hardware virtual SCI 3 DMA phys. Memory 4 Process C Process D 4 3

21 SCI mit DMA Engine Node Node Process A Process B 3 4 phys. Memory 3 SCI Hardware DMA virtual SCI 4 SCI physical Connection SCI SCI Hardware virtual SCI 3 DMA phys. Memory 4 Process C Process D 4 3 Kopieren von Daten per CPU (PIO Programmed IO) oder per DMA Engine ab bestimmter Blockgröße kleine Latenzzeit bleibt bei kurzen Nachrichten erhalten

22 Aber: SCI mit DMA Engine (cont.) DMA Engine darf aus Sicherheitsgründen nicht vom Anwendungsprogramm direkt programmiert werden SCI Hardware hat direkten Zugriff auf lokalen Speicher SCI wird zwar virtualisiert (nur Subset sichtbar), jedoch ist momentan kein Schutzmechanismus vorhanden 3

23 Aber: SCI mit DMA Engine (cont.) DMA Engine darf aus Sicherheitsgründen nicht vom Anwendungsprogramm direkt programmiert werden SCI Hardware hat direkten Zugriff auf lokalen Speicher SCI wird zwar virtualisiert (nur Subset sichtbar), jedoch ist momentan kein Schutzmechanismus vorhanden Programmierung muss indirekt über Betriebssystem erfolgen unnötig hohe Latenzzeit für DMA Transfers 3

24 Ausweg: Verbesserte SCI Architektur Virtualisierung der Sicht der SCI Hardware auf lokalen Speicher (d.h. eine zweite Adressumsetztungstabelle) gleichzeitige Integration von sog. in beide Tabellen Protection Tags 4

25 Ausweg: Verbesserte SCI Architektur Virtualisierung der Sicht der SCI Hardware auf lokalen Speicher (d.h. eine zweite Adressumsetztungstabelle) gleichzeitige Integration von sog. in beide Tabellen Protection Tags die Hardware überprüft (vergleicht) automatisch das Tag des initiierenden Prozesses mit dem Tag der betroffenen Adressbereiche prinzipielle Idee aus Virtual Interface Architecture (VIA) übernommen VIA sieht jedoch kein DSM vor 4

26 Verbesserte SCI Architektur (cont.) Node Process A Process B 3 4 phys. Memory 3 combined SCI/VIA Hardware virtual local DMA virtual SCI 3 4 SCI virtual SCI physical Connection SCI combined SCI/VIA Hardware 3 DMA virtual local 4 phys. Memory 4 Node Process C Process D 4 3 DMA Engine erlaubt nur die Zugriffe, wofür der zugehörige Prozess authorisiert ist Speicherschutz ist gewährleistet und Betriebssystemaufruf ist nicht notwendig Umschaltpunkt PIO/DMA verlagert sich nach unten verbesserter Gesamtdurchsatz 5

27 Verbesserte SCI Architektur (cont.) Nebeneffekt: virtuelle Sicht auf lokalen vereinfacht das Speichermanagement wesentlich echte Zero Copy Datentransfers (Versenden von Nachrichten ohne unnötiges Zwischenspeichern) können relativ einfach realisiert werden Zero Copy mit heutiger kommerzieller PCI SCI Hardware ist hingegen nur schwer realisierbar 6

28 Entwicklungsstatus FPGA basierter Proof of Concept Prototyp grundlegende Architektur ist implementiert (d.h. beide Adressumsetzungen) Programmed IO ist fast vollständig implementiert mit vergleichsweise recht guten Leistungswerten: remote Write Bandwidth 6MByte/s, PCI to PCI Latency.7µs Konzept der DMA Engine sowie unterstützende Mechanismen zwar prinzipiell fertig, aber noch nicht implementiert 7

29 Zusammenfassung / Ausblick kurze Einführung in DSM Systeme und SCI DMA Engine in heutiger PCI SCI Hardware und deren Probleme Darstellung eines prinzipiellen Ansatzes zur Verbesserung des DMA Mechanismus bzw. der allg. SCI Architektur 8

30 Zusammenfassung / Ausblick kurze Einführung in DSM Systeme und SCI DMA Engine in heutiger PCI SCI Hardware und deren Probleme Darstellung eines prinzipiellen Ansatzes zur Verbesserung des DMA Mechanismus bzw. der allg. SCI Architektur Was bringt die Zukunft? Die vorgestellten Mechanismen werden in einer der nächsten Versionen der kommerziellen PCI SCI Adapter von Dolphin realisiert sein. 8

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