Solaris10基础: Solaris硬件系统架构A

　　1.2.5 Solaris的硬件系统架构（1）

　　Solaris支持多种系统架构：SPARC、x86和x64。x64即AMD64及EMT64处理器。在版本2.5.1的时候，Solaris曾经一度被移植到PowerPC架构，但是后来又在这一版本正式发布时被删去。与Linux相比，Solaris可以更有效地支持对称多处理器，即SMP架构。Sun同时宣布将在Solaris 10的后续版本中提供Linux运行环境，允许Linux二进制程序直接在Solaris x86和x64系统上运行。Solaris传统上与基于Sun SPARC处理器的硬件体系结构结合紧密，在设计上和市场上经常捆绑在一起，整个软硬件系统的可靠性和性能也因此大大增强。然而SPARC系统的成本和价格通常要高于PC类的产品，这成为Solaris进一步普及的障碍。可喜的是，Solaris对x86体系结构的支持正得到大大加强，特别是Solaris 10已经能很好地支持x64（AMD64/EMT64）架构。Sun公司已推出自行设计的基于AMD64的工作站和服务器，并随机附带Solaris 10操作系统。

　　1．SPARC硬件

　　SPARC全称为"可扩充处理器架构"（Scalable Processor ARChitecture），是RISC微处理器架构之一。它最早于1985年由Sun设计，也是SPARC国际公司的注册商标之一。这家公司于1989年成立，其目的是向外界推广SPARC，以及为该架构进行符合性测试。此外该公司为了扩阔SPARC设计的生态系统，SPARC国际也把标准开放，并授权予多家生产商采用，包括德州仪器、Cypress半导体、富士通等。由于SPARC架构也对外完全开放，因此也出现了完全开放源代码的LEON处理器，这款处理器以VHDL语言写成，并采用LGPL授权。SPARC架构原设计给工作站使用，之后应用在Sun、富士通等制造的大型SMP服务器上。

　　1987年，Sun和TI公司合作开发了RISC架构的微处理器--SPARC，这是业界出现的第一款有可扩展性功能的微处理器。SPARC（Scalable Processor ARChitecture），即可扩展性处理架构，SPARC处理器为Sun的产品提供了强劲的动力。

　　Sun出版版本7的SPARC Architecture是第一个SPARC处理器。这个16MHz，32位SPARC 86900"Sunrise"处理器配置了20000个Fujitsu gate-array芯片，供给Sun 4/260工作站动力。

　　1990年SPARC国际出版版本8的SPARC Architecture，以几种关键改进譬如硬件multiply/divide的MMU作用，支持对于128位浮点运算。

　　出版版本9规格于1993年被推出，增加了支持对于64位地址和数据类型，包括处理器从Sun(UltraSPARC)到Fujitsu(SPARC64)。多年来，主导产业的SPARC Architecture供给各种各样的系统动力包括服务器、工作站、膝上计算机、VME/PCI委员会、存储系统、网络开关和数字照相机。

　　在SPARC处理器之后不久，随后出现了64位高性能的UltraSPARC处理器，为Sun公司的工作站和服务器提供了发展原动力。Sun的系统架构提供了一种非常平衡的性能，系统部件（和内存）组合起来加速了应用序列的每个部分；高速I/O和网络，与高速互连部件一起提高了数据获取速度。UltraSPARC CPU提供了超级计算能力，并驱动数据流通过互连部件（UPA，Gigaplane Bus和Fireplane Interconnect）维持高速处理。

　　对于要求高级图形和多媒体能力的系统，Sun的UltraSPARC是第一种集成了2-D和3-D影像和图形的处理器。VIS是一组加速多媒体、影像处理和网络应用的指令集，这使得UltraSPARC处理器与众不同。VIS RISC指令集扩展了SPARC-v9架构。VIS是嵌入于UltraSPARC处理器中的单指令多数据（SIMD:Single Instruction Multiple Data）代码。UPA连接UltraSPARC处理器、内存、I/O子系统和图形卡。为多任务、多处理器环境特别设计，UPA连接适用于大量数据在系统中高速流动，增强了整个系统的性能。

　　UltraSPARC IIe微处理器采用0.18μm6层金属连线工艺，370引脚、49.5mmCPGA封装；内部集成了256-KB二级高速缓存、32位标准66MHz PCI总线、高性能SDRAM控制器和内存接口。该处理器的功耗性能是专为嵌入应用而优化的，对1.5伏的400MHz处理器来说，其功耗估计最多为8瓦，而1.7伏的500MHz处理器，功耗最多则为13瓦。此外，附加的内置功率管理功能使休眠状态时最多耗能3瓦，符合Energy Star的要求。图1-5是Sun UltraSPARC II处理器。

图1-5 Sun UltraSPARC II处理器

　　而Sun开发的Solaris操作系统也是为SPARC设计的系统之一，除Solaris之外，NeXTSTEP、Linux、FreeBSD、OpenBSD及NetBSD系统也提供SPARC版本。现时最新版本的SPARC为第8版及第9版。Sun的UltraSPARC Ⅲ微处理器可提供更加灵活的扩展方法。芯片可从两路处理扩展到数百路的处理操作，而无须重新设计大量的硬件及软件。UltraSPARC Ⅲ处理器采用Sun的独特设计方法，无须使用外部的存储器控制器。独立的控制器为系统总线增添了额外的负载，而UltraSPARC Ⅲ处理器与存储器直接对话，从而减少了这一负载。因此，存储器容量及性能可随着处理器的增加自然扩展。

　　UltraSPARC Ⅲ处理器就是针对新兴网络计算设计的，处理器具有更高的时钟频率，更少的延误时间，可提供因特网要求的极高性能。UltraSPARC Ⅲ处理器还支持高度灵活的多处理环境，因此，选择它作为新兴因特网业务的处理器，可快速扩展，满足不断增长的计算要求。UltraSPARC Ⅲ的工作频率有900MHz、750MHz和600MHz三种。与以前的UltraSPARC Ⅱ相比，UltraSPARC Ⅲ运行程序的速度要快一倍。

　　UltraSparc IIIi为每个处理器配备1MB的2级缓存，SPARC IIIi这个代号中的"i"所隐含的意思是"集成（Integration）"。也就是说，这个处理器具有极高的集成性，其中包括了存储及I/O控制器、大量的芯片内缓存，以及有效降低系统复杂度的系统总线。对于某些特定的应用，SPARC IIIi在降低成本方面效果十分显著。Sun公司的中低端服务器采用专用处理器SPARC IIIi，它是针对1～4个处理器的环境而专门设计的，同时确保了最高标准的RAS能力。因此，Sun UltraSPARC IIIi处理器仍然是低端UNIX服务器的上好之选。

　　Sun公司在其2002年年会上正式发布了采用0.13微米工艺和铜导体技术打造的64位UltraSPARC III Cu 1200处理器。由于采用了0.13微米制造工艺，新型1.2GHz的UltraSPARC III Cu处理器电耗比原先采用0.15微米技术打造的1.05GHz Sun处理器降低了14%，也就是从75W电耗降低到了53W电耗。降低幅度为30%。Sun以更低的耗散功率和更小尺寸的芯片，降低了系统的运行成本，使系统计算密度的潜力又一次获得提升，还特别改善了系统的RAS特性（可靠性、可用性和可维护性）。

　　Sun的UltraSPARC III Cu 1200新处理器，以及新一代服务器动态重构软件的发布，将网格计算提高到企业系统阶段。它比用于IBM Power4和Intel安腾2的180毫微米的生产工艺整整前进了一代。这一更精细的工艺技术还使处理器芯片尺寸大大减小，这使芯片制造成本再次降低，进一步巩固了UltraSPARC III处理器是业界最低功耗的64位处理器的地位。UltraSparc IV使用了两个UltraSparc III核心。UltraSPARC Ⅳ目前仍然采用和UltraSPARC Ⅲ相同的生产制造工艺，只是在接口复用上重新设计，可以直接热交换原系统中的UltraSPARC Ⅲ系统板，直接获得性能的翻番。在各种复杂的应用中经过数个月的测试表明，UltraSPARC Ⅳ性能出色，运行稳定性也一如UltraSPARC Ⅲ，毕竟是同一种核心下的产物。首批UltraSparc IV使用130纳米制造工艺，UltraSparc IV处理器只有356平方毫米大小。其生命周期将延续到2006年。

　　当然，提升性能的主要方式就包含制造工艺，Sun在2004年内将和TI共同生产90纳米工艺的UltraSPARC Ⅳ，它不但会获得频率上的优势，更重要的是原本板载的16MB L2 Cache会集成在Die上（据猜测是2MB L2 Cache），这时配合板载的L3 Cache，将会成为Sun历史上最强悍的处理器，性能会在今天的基础上再增加一倍。UltraSparc IV处理器于2004年6月份推出一款速度为1.2GHz的产品。Sun公司推出的UltraSparc IV处理器在性能上要超出前代产品1.6～2倍，这对英特尔、IBM、AMD及其他公司的产品产生了极大的竞争力。

　　新一代UltraSPARC Ⅳ+处理器采用了德州仪器公司的90毫微米的工艺技术，它通过扩展的高速缓存、功能与转移预测机制（Branch Prediction Mechanism）、增强的预取能力（prefetching capabilities）和新型的计算能力等新技术，将现有的UltraSPARC Ⅳ处理器的应用吞吐量翻了一番。此外，UltraSPARC Ⅳ+处理器还将一个新的3级高速缓存层，与一个快速片上2MB二级高速缓存和一个大型32MB片外三级高速缓存组合在一起。

　　这些新的特性还与更高的运行频率（起始为1.8GHz）相结合，使UltraSPARC Ⅳ+比以往的UltraSPARC处理器有更高的吞吐量，大约是UltraSPARC Ⅳ处理器的每个线程性能的两倍。UltraSPARC Ⅳ+处理器采用了片上多线程技术（CMT），通过多个运算（或称线程）的同时进行，继续执行Sun的吞吐量计算战略，以进一步提高系统的性能。同时，还有一组新的RAS（随机存取存储器），使这一新的设计成为UltraSPARC系列处理器中最可靠的一员。

　　与UltraSPARC Ⅳ处理器一样，这第二代的UltraSPARC Ⅳ+处理器仍然保持了Sun系统传统的二进制兼容的特性，因此保护了客户在开发工具和应用软件方面的已有投资。Sun还向他的客户提供了使其系统性能和可靠性双升级的简易途径，系统的占地面积不变，电源功率和热包装仅有很小的变化。我们详细介绍了Sun的各型号CPU，Sun SPARC处理器比较如表1-1所示。

　　表1-1 SPARC微处理器规格

　　表1-2是支持Solaris 10的Sun公司产品线，表格中按类别列出了Solaris 10发行版支持的各种Sun硬件系统的SPARC平台名称和平台组。所有SPARC平台都是64位的，但它们既可以运行64位的应用程序，也可以运行32位的应用程序。这些平台在使用Solaris 10发行版时，没有其他特殊的安装或升级说明。表1-2中列出的平台是sun4v平台组的一部分。

　　表1-2 各种Sun硬件系统的SPARC平台名称和平台组

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