Набор разработчика «эльбрус линукс» (pdk)

2017: Описание ОС «Эльбрус»

ОС «Эльбрус» создана компанией МЦСТ для компьютеров с архитектурой SPARC и «Эльбрус» на ядре Linux 2.6.33. ОС обеспечивает многозадачный и многопользовательский режимы работы. Для неё разработаны особые механизмы управления процессами, виртуальной памятью, прерываниями, сигналами, синхронизацией, поддержка тегированными вычислениями.

На июль 2017 года в составе ОС «Эльбрус» базовые средства поддержки интерфейса пользователей:

• Средства поддержки интерфейса командной строки (консоль). Обеспечивают оператору возможность работы с ВК в текстовом режиме с помощью набора команд и получения текстовых сообщений от операционной системы и запускаемых приложений;
• Средства архивации для объединения ряда файлов в единый архив или серию архивов (в том числе со сжатием данных), что обеспечивает удобство передачи через каналы связи или хранения;
• Средства разработки программного обеспечения. Обеспечивают процесс разработки и поддержки программного обеспечения. Это – ассемблеры, трансляторы, компиляторы, компоновщики (редакторы связей), сборщики, препроцессоры, отладчики, текстовые редакторы, библиотеки подпрограмм, средства управления версиями, средства документирования;
• Средства планирования заданий — позволяют указать операционной системе, какие действия, в какое время и с какой периодичностью необходимо выполнить.

Помимо базовых в интерфейс пользователя введён ряд средств, поддерживающих создание функционального программного обеспечения.

Средства поддержки графического пользовательского интерфейса содержат базовые компоненты графической системы Xorg, а также набор различных вспомогательных библиотек, в том числе GTK+ и Qt.

Основа ОС — библиотека Glibc — (GNU C Library) — свободно распространяемая библиотека С. Обеспечивает системные вызовы и основные функции, такие как open, malloc, printf и т.д. Библиотека C используется для всех динамически скомпонованных программ. Glibc используется в системах, на которых работает много разных ОС, и на разных архитектурах. Наиболее часто Glibc используется на x86-машинах с ОС Linux. Также официально поддерживаются архитектуры SPARC и «Эльбрус».

Библиотека glibc, поставляемая в составе ОС Эльбрус, сформирована на основе GNU glibc версии 2.7. Она состоит из двух частей:

• заголовочные файлы, которые определяют типы и макрокоманды и объявляют переменные и функции;
• фактическая библиотека или архив, который содержит определения переменных и функций. Состоит из нескольких файлов, функции в которых объединены по какому то признаку (например, libm.a – архив математических функций).

Для поддержки программ, работающих в защищённом режиме, поставляется компактная библиотека libmcst, обеспечивающая функции работы с памятью и поддержку ввода-вывода на уровне базовой библиотеки libc.

У главного формального конкурента тиражи больше

В контексте планов МЦСТ стоит отметить, что ее главный
формальный отечественный конкурент — компания «Байкал электроникс»,
разрабатывающая линейку процессоров «Байкал», — в конце 2020 г. объявила о планах
выпуска своих чипов с тиражом на порядок больше.

От DevOps к TestOps: как ускорить процессы тестирования новых приложений и ПО
Интеграция

«Таким образом, мы рассчитываем на то, что процессоров будет
достаточно для того, чтобы обеспечить формирующийся сейчас спрос», — отмечал в
ноябре гендиректор компании Андрей Евдокимов. В разговоре с CNews он уточнил,
что до этого компания располагала лишь инженерными образцами «Байкал-М» из
небольшой партии порядка 2 тыс. штук.

В силу указанных параметров чипов «Байкал» в МЦСТ сейчас
полагают, что пока находятся с их разработчиками в разных рыночных нишах.
Запланированные к выпуску серверные «Эльбрусы» существенно мощнее. Также
Горшенин справедливо отмечает, что «Байкалы» пока не могут использоваться в
многопроцессорных решениях. Кроме того, они обладают меньшей памятью и меньшим
числом каналов ввода/вывода, что также ограничивает сферу их применения.

Серверный процессор «Байкал» по состоянию на сегодняшний
день находится в разработке.

Трудоёмкость разработки под архитектуру Эльбрус

Мне кажется, всё вышеизложенное достаточно ёмко описывает, какова трудоёмкость разработки под Эльбрус – она существенно выше, чем для RISC/CISC архитектур. И ввиду сложности кода ассемблера для понимания (godbolt в помощь), и ввиду сложности компилятора и необходимости постоянного анализа кода и настройки опций.

Что же касается данного высказывания:

Я могу сказать, что можно считать что угодно. Но пользователи скорее оценят архитектуру с простым и понятным кодом, даже простив ей некоторый проигрыш по производительности, чем сложную и запутанную, для которой программистов будет не сыскать днём с огнём.

Это абсолютно бесполезная вещь для пользователя. Вы просто в очередной раз тратите своё время впустую.

В заключение, я бы хотел прокомментировать пару тезисов из статьи Алексея, не упомянутых выше, но мимо которых мне всё же сложно пройти.

Алексей, когда вы выйдете за стены МЦСТ и обнаружите за ними реальный мир, то вы поймёте, что делать такого рода заявления — это расписаться в собственном непрофесионализме. Потому что код пишут не только великие гении и победители ICPC, а множество людей, куда менее искушённых в программировании (и таких абсолютное большинство). Потому что в крупном проекте определить какой код при какой нагрузке становится горячим зачастую непросто и требует много усилий по анализу, на которые часто просто нет времени. И хороший процессор должен уметь исполнять с приемлемой производительностью и качественный код, и не очень.

Люди спрашивают про свободный доступ к машинам. Про открытие системы команд. Про открытый качественный тулчейн для разработки. А в ответ получают предложение зайти в чатик и на любительский ютуб канал. И самое печальное, что сотрудники МЦСТ действительно считают такую ситуацию нормальной.

Вы пытаетесь поставить под сомнение не просто вышесказанное, а мнение, сложившееся у экспертов в индустрии. Например, Линуса Торвальдса, Хеннеси и Паттерсона, и даже отец Эльбруса Б. Бабаян соответствующе высказался по поводу VLIW:

Тупиковость развития VLIW-архитектур для general-purpose CPU стала понятна экспертам в индустрии ещё в середине 2000-х(а некоторым возможно и раньше). И много людей в самом же МЦСТ также прекрасно понимали (и понимают) проблему.

Что под капотом у самой защищенной ОС?

Ничего особенного система не содержит. Поддержки дактилоскопов, инфракрасных камер нет, криптоконтейнеры отсутствуют

Подобные задержки коснулись и самого ядра ОС «Эльбрус»: для доступной версии 3.0 используется ядро Linux 3.14 (релиз 05.2014); для старшей открытой версии 4.0 — ядро Linux 4.9 (релиз 12.2016).

Подобная ситуация сложилась ввиду дополнительных требований к защите:

• баги известны и локализованы,
• уязвимости ядра закрыты патчами,
• особенности известны системным администраторам,
• код проверен и закладки отсутствуют.

Кроме того, ядро, как ПО и пакеты из состава ОС, получило разрешение на применение в самых ответственных системах.

Менять его на что-то более современное не имеет смысла: лицензирование займет слишком много времени, но не принесет каких-либо критических изменений. В том числе и в плане безопасности.

О защите. Пару слов

Собственно защита системы основана на 3 принципах:

• открытый код обеспечивает своевременную локализацию багов и уязвимостей (для использованных ядер они уже локализованы, будущие будут найдены свободными разработчиками схожих систем),
• права на доступ к памяти и оборудованию проверяются до попадания в кэш (то есть до исполнения),
• полная проверка составляющих системы специалистами по безопасности.

Для поддержки программ, работающих в защищённом режиме, поставляется компактная библиотека libmcst, обеспечивающая функции работы с памятью и поддержку ввода-вывода на уровне базовой библиотеки libc.

Из коробки стандартная версия «Эльбруса» все же не блещет чем-то уникальным в плане защиты, что мог бы использовать обычный юзер.

Процессоры «Эльбрус» для серверов и не только

Восьмиядерный микропроцессор «Эльбрус-8С1» (он же «Эльбрус-8С») на базе микроархитектуры VLIW, разработанный компанией МЦСТ, серийно производится с 2016 г. по 28-нанометровому техпроцессу.

Рабочая частота чипа достигает 1,3 ГГц при 25 операциях за такт на ядро. Пиковая производительность составляет около 250 гигафлопс в операциях над числами с плавающей запятой одинарной точности и 125 гигафлопс – двойной точности. «Эльбрус-8С1» рассчитан на работу с памятью стандарта DDR3-1600 с поддержкой ECC (до четырех контроллеров памяти). Процессор поддерживает исполнение двоичных кодов в системе команд Intel х86 и х86-64 с помощью динамической трансляции без перекомпиляции программ.

По ранее озвученным МЦСТ прогнозам, новый чип будет полностью готов к серийному производству к концу 2021 г. Само же производство по плану должно стартовать в первой половине 2022 г.

Информация

Микропроцессор Эльбрус-8С (1891ВМ028) — высокопроизводительный процессор общего назначения с улучшенной архитектурой Эльбрус, позволяющей выполнять до 25 операций за один такт в каждом ядре — 250 млрд. операций с плавающей запятой в секунду. Спроектирован и изготовлен по технологическим нормам 28 нм, позволяющим снизить энергопотребление.

Особенности «Эльбрус-8С»:

• Оригинальная архитектура Эльбрус, обеспечивающая высокую производительность в математических расчётах, криптографии, цифровой обработке сигналов.
• Аппаратная поддержка защищенных вычислений. Отдельный стек вызовов, дающий преимущества с точки зрения информационной безопасности.
• Исполнение двоичных кодов в системе команд Intel х86 и х86-64 с помощью динамической трансляции без перекомпиляции программ.
• Расширенный температурный диапазон от −60 до +85 градусов.

Наличие 4 каналов доступа к памяти и 3 каналов межпроцессорного обмена позволяет строить масштабируемые вычислительные комплексы, обеспечивающие высокую скорость обработки и передачи информации.

Примечание: ранние выпуски данной микросхемы обозначались как «Эльбрус-8С1».

Методика тестирования

Абсолютное большинство представленных на рынке процессоров, включая процессоры наиболее распространённых семейств х86-64 и ARM, используют архитектуру RISC с различными расширениями, реализованными аппаратно. Эти расширения дают возможность давать процессору относительно инструкции, и эти инструкции будут выполнены оптимальным образом. При этом большая часть работы по «распараллеливанию» вычислений выполняется во время исполнения кода, и, таким образом, расходует ресурсы центрального процессора. Отечественные процессоры семейства «Эльбрус» построены на базе архитектуры VLIW (very long instruction word — очень длинная машинная команда). Эта архитектура позволяет в рамках одной процессорной команды выполнять большое количество операций. VLIW-команда содержит в себе сразу несколько операций для параллельного выполнения ядром процессора. Ядро процессора «Эльбрус-8С» имеет шесть 64-битных FMA устройств, что позволяет выполнять до 12 FP64 FLOP за такт. 

Сама VLIW-команда должна быть сформирована на этапе компиляции, и во время выполнения ресурсы ЦПУ используются строго по назначению. В принципе такой подход должен обеспечивать более высокую производительность вычислений. Однако данная архитектура более чувствительна к качеству выполняемого кода, формируемого как программистами, так и компилятором. Таким образом, преимущества этой архитектуры станут видны только по мере формирования стека ПО, оптимизированного для выполнения на данном семействе процессоров.

Тест № 1. 7-Zip

Архиватор 7-Zip имеет встроенный режим тестирования LZMA и относительно просто переносится на любые платформы. Это сделало его популярным механизмом сравнения для самых разных платформ. В режиме тестирования ПО 7-Zip выдаёт значения MIPS (миллионы операций в секунду) для компрессии и декомпрессии. Кроме того, режим тестирования умеет нагружать чётко указанное количество ядер и выдавать результаты в расчёте на одно ядро.

В общем случае компрессия представляет собой более алгоритмически сложную задачу, и для неё логично получать более низкие значения рейтинга, чем для декомпрессии. Из общедоступных результатов тестирования видно, что это правило соблюдается для большинства семейств процессоров, но не соблюдается для процессоров Intel. Данная зависимость подчёркивает, что исходный код архиватора явно оптимизирован под архитектуру x86-64 как наиболее распространённую.

Синтетический тест 7-Zip загружает процессоры вычислительной работой на 100 %. Процессоры Intel при этом разгоняются практически до максимальных значений. С учётом этого, данный тест демонстрирует практический паритет производительности в пересчёте на одно ядро с частотой 1 ГГц. Производительность компрессии в полтора раза выше на процессорах Intel (за счёт оптимизации кода), при декомпрессии — выигрыш производительности демонстрирует процессор «Эльбрус».

Ниже привожу средние значения соотношения Intel/«Эльбрус». 

Тест № 2

Тип теста (команда операционной системы)

Тесты реальной работы 7-Zip показывают заметное различие в производительности — «Эльбрус» медленнее почти в 1,9 раза, причём при компрессии скорости практически одинаковые, а при декомпрессии — «Эльбрус» в 2,2 раза медленнее. Это объясняется более медленной работой оперативной памяти и подсистемы ввода-вывода сервера на базе «Эльбрус».

Скачивание. Свободное — не значит доступное

Неплохая «машинка» для работы

В мае 2019 года МСТЦ опубликовала на собственном сайте оригинальные установочные файлы нескольких версий операционной системы.

Для закачки открыли дистрибутив, список пакетов и документация для младшей открытой версии, совместимой с x86-процессорами. Более современная версия системы пока недоступна.

Пожалуй, интереснее всего выглядят версии для работы на процессорах МЦСТ линеек «Эльбрус» и «R» (архитектура SPARC). Но они доступны только по запросу и требуют компьютер на соответствующей архитектуре.

Поэтому сегодня ограничимся обычной версией ОС Эльбрус, совместимой с рядовыми настольными компьютерами.

Скорость диалапа и постоянные обрывы из-за «хабраэффекта» затянули процесс до появления зеркала скачивания на «Яндекс.Диске».

Состав

В качестве блоков процессора использована часть оборудования микросхемы «Эльбрус-S»: процессорные ядра с незначительно изменённой кэш-памятью второго уровня и системный контроллер SIC с контроллером памяти, контроллером межпроцессорных линков и контроллером ввода/вывода. DSP-кластер выступает как отдельный IP-блок, изготовленный НПЦ «Элвис».Структурная схема системы на кристалле «Эльбрус-2С+».

Ядро микропроцессора «Эльбрус» (Core) – высокопроизводительный универсальный микропроцессор с архитектурой широкого командного слова.

Контроллер межъядерных взаимодействий (CIC) обеспечивает объединение процессорных ядер в единую систему.

Контроллер запросов MAU (MRC) находится в составе контроллера CIC и осуществляет круговой арбитраж, поочерёдно выдавая в системный коммутатор SC запросы от каждого из ядер.

Контроллер когерентных сообщений (Coh_Box) анализирует когерентные запросы от коммутатора SC, выборочно передавая их нужным ядрам, и принимает когерентные ответы от ядер, при необходимости формируя обобщённый когерентный ответ в формате одноядерной системы.

Системный коммутатор (SC) решает следующие задачи:

• обслуживание абонентов согласно политике приоритетов;
• максимально возможная загрузка межпроцессорных линков;
• обеспечение независимости пакетных потоков между различными парами абонентов (пакет из одного потока, не получающий право на дальнейшее прохождение по коммутационной среде, не должен блокировать обработку пакетов из другого потока);
• обеспечение независимости потоков командных пакетов различного типа.

Интегрированный в микропроцессор четырёхядерный DSP-кластер работает под управлением универсальных ядер «Эльбрус-S», которым доступны его регистры и память. В свою очередь, DSP-кластеру доступна не только собственная внутренняя память, но и память всего процессора.

Интерфейсный контроллер AXI-box обеспечивает взаимодействие универсальных ядер с ядрами DSP через интерфейс, основанный на протоколе AMBA AXI 3.0 фирмы ARM. Данные передаются AXI-контроллером по четырём раздельным каналам (DMA-чтение, DMA-запись, I/O-чтение, I/O-запись), каждый из которых имеет пропускную способность 4 Гбайт/с и работает на частоте ядер «Эльбрус-S» и DSP (500 МГц).

Оперативная память микропроцессора используется, помимо прочего, в качестве буфера данных, пересылаемых между аналогово-цифровыми преобразователями и DSP-кластером. Для этого в состав микросхемы помимо основного канала ввода/вывода (IO-Link0), подключённого через «южный мост», введён дополнительный канал (IO-Link1) для ввода цифровой сигнальной информации, подключённый через ADC-контроллер.

Контроллер памяти (MC) разделён на два частотных домена (домен ядра контроллера и домен интерфейса с памятью) с введением новой схемы передачи данных с некратным соотношением частот между доменами. Схема обеспечивает достаточно гибкую настройку рабочих частот, благодаря чему контроллер памяти процессора «Эльбрус-2С+» при фиксированной тактовой частоте 500 МГц поддерживают несколько режимов работы с оперативной памятью: DDR2-800, DDR2-666, DDR2-600 и DDR2-500.

Продолжаем работать

А. К.: Считаем, что интересы государства должны победить, потому что скорый и успешный переход на отечественную микроэлектронику жизненно важен для безопасности страны в эпоху цифровизации. Времени мало. Мы продолжаем работать, наращиваем производительность наших процессоров, осваиваем новые технологии, добавляем функциональности ядру, улучшаем характеристики, развиваем технологии двоичной совместимости и безопасности вычислений. Делаем процессор более гибким, удобным для программистов. Планируем повышать открытость своей архитектуры, чтобы развивалось свободное ПО для «Эльбруса». Развиваем систему команд для поддержки алгоритмов искусственного интеллекта, вводим другие новшества…

 Перенос требований постановления номер 719 на два года «вправо» все равно что разворот в государственной политике. Надеемся, что правительство этого не допустит, а по итогам обсуждений будут согласованы принципы регулирования, соответствующие стратегическим целям и задачам отрасли

Мы не идем в вертикальную интеграцию, делаем процессоры для всей страны, создаем платформы. Строим партнерства с ведущими российскими разработчиками операционных систем, прикладного ПО, радиоэлектронной аппаратуры, передаем им технологии для создания продуктов на основе архитектуры «Эльбрус». Нас об этом просил рынок, и мы это слышим. Мы уже десяткам компаний дали свой референс-дизайн — это образцовый дизайн материнской платы, чтобы они могли делать материнские платы на основе наших процессоров. Все они рассчитывают на сохранение требований по использованию российских процессоров в СХД, серверах и ПК. Перенос требований постановления номер 719 на два года «вправо» для них все равно что разворот в государственной политике. Надеемся, что правительство этого не допустит, а по итогам обсуждений будут согласованы принципы регулирования, соответствующие стратегическим целям и задачам отрасли.

Характеристики

Знак „+“ означает, что стандарт поддержан полностью, „±“ означает поддержку в экспериментальном режиме и/или неполностью — см. сноски и документацию, „−“ означает отсутствие поддержки данного языкового стандарта в данной версии компилятора.

В графе „-std=” указан режим поддержки языкового стандарта по умолчанию. Другие режимы можно задать параметром „-std=” согласно приведённому перечню полностью или частично (экспериментально) поддерживаемых, в том числе с расширениями GNU.

¹ Стандарт C11 (ISO/IEC 9899:2011) в версиях LCC 1.21–1.24 был поддержан полностью за исключением необязательного расширения .

² Стандарты C++11 (ISO/IEC 14882:2011) и C++14 (ISO/IEC 14882:2014) в версии LCC 1.21 были поддержаны полностью в языковой части, однако в библиотечной части отсутствовала поддержка классов и  — это было обусловлено отсутствием поддержки zero cost exceptions (0eh) со стороны компилятора на тот момент.

Новые нанометры для «Эльбрус-32С»

Новейший российский процессор линейки «Эльбрус» с 32-ядрами
начнет создаваться в 2020 г. и будет реализован по топологии 6 или 7 нм.
Завершение проекта сейчас намечено на 2025 г. Новинка получит
название «Эльбрус-32С».

Она закономерно станет самым производительным чипом среди
существующих и уже разрабатываемых в этой линейке. Базовые сферы применения
процессора: высокопроизводительные вычисления (суперкомпьютинг) и систем
хранения данных.

Об этом в интервью журналу «Эксперт» рассказал глава компании
МЦСТ, разрабатывающей «Эльбрусы», Александр
Ким. Других характеристик будущего чипа он не привел.

Не смог это в разговоре с CNews сделать и другой представитель
МЦСТ Максим Горшенин. По его словам,
в ближайшей «дорожной карте» развития линейки в отношении «Эльбрус-32С» будет
указано 7 нм (не 6 нм), но других конкретных параметров в ней не будет.

Процессор «Эльбрус-32С» будет сделан по топологии 7 нм

Программно-аппаратная-платформа

Новые бюджетные системы концерна «Автоматика» выполнены на двухядерных высокоинтегрированных микропроцессорах общего назначения «Эльбрус-2С3» (они же К1891ВМ068, ТВГИ.431281.027, Elbrus-2S3, ранее – Elbrus-2C3) с архитектурой «Эльбрус» шестого поколения авторства российской компании МЦСТ. Как отмечено на сайте производителя, в настоящее время этот процессор еще не представлен на массовом рынке, но уже ведется «подготовка серийного производства в 2022 г.».

Концерн «Автоматика» показал прототип настольного ПК на процессоре «Эльбрус-2С3»

В прототипе настольного ПК, разработанного в концерне «Автоматика», в частности планируется применять модификацию процессора К1891ВМ06A8 с самой высокой рабочей тактовой частотой – до 2,0 ГГц. Шесть ядер ускорителя 3D-графики Imagination PowerVR GX6650 работают с тактовой частотой 800 МГц.

Информация

Программа начального старта (ПНС) вычислительных машин архитектуры Эльбрус и SPARC/МЦСТ-R выполняет функции:

• базовой системы ввода-вывода (BIOS) — инициализация аппаратуры и самотестирование (POST);
• загрузчика операционной системы (boot loader) — аналогично GRUB или LILO, SILO.

ПНС хранится в перезаписываемом постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) материнской платы компьютера и поставляется в составе материнской платы, а также может быть обновлена впоследствии. Выдача обновлённых версий, а также исходных текстов ПНС (для доработки сторонними производителями вычислительной техники) производится службой поддержки — подробнее см. на вкладке «Поддержка».

Программа зарегистрирована под номером (от 23.06.2021) в Едином реестре российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных.

Сроки релиза

По состоянию на 8 октября 2020 г. специалисты МЦСТ проводили исследования полученного инженерного образца «Эльбрус-16С». Одно из достижений – обеспечена загрузка операционной системы «Эльбрус Линукс».

По прогнозам МЦСТ, новый процессор будет полностью готов к серийному производству к концу 2021 г. Представители МЦСТ сообщили CNews, что само производство начнется в первой половине 2022 г.

Представители МЦСТ заявили лишь, что процессор будет соответствовать требованиям к российским интегральным схемам второго уровня в рамках постановления правительства России от 17 июля 2015 г. № 719. Это значит, что их непосредственный выпуск будет развернут за пределами нашей страны. В России пока нет заводов, способных выпускать 16-нанометровую продукцию. Также собеседники CNews рассказали , что к целевой аудитории нового чипа относятся производители серверов среднего и высшего классов производительности, СХД, мощных встраиваемых вычислительных узлов, рабочих станций и суперЭВМ. На вопрос CNews о том, где именно будет производиться новый «Эльбрус», они ответить не смогли.

Впервые в открытом доступе

Как и предсказывал ранее CNews, российская компания МЦСТ впервые выложила в публичный доступ руководство по программированию для вычислительной платформы «Эльбрус», в которое также включено исчерпывающее описание системы микропроцессорных команд.

Пакет документов по программированию для платформы «Эльбрус» включает подробное описание ассемблера и системы команд семейства одноименных чипов и общее описание платформы и фирменного компилятора LCC. В пакет вошло подробное руководство для программистов, которые портируют или оптимизируют свои программные продукты для решений на базе «Эльбрусов» на языках C и C++, а также описание особенностей оптимизации и техники повышения производительности программного кода.

Документация по работе с отечественной микропроцессорной платформой уже доступна на сайте компании и представлена под открытой лицензией Creative Commons (CC-BY 4.0), которая позволяет сторонним пользователям свободно перерабатывать, развивать, вносить исправления и распространять продукт, в том числе, в коммерческих целях, но при соблюдении обязательного условия указания автора исходной работы. Документы доступны для скачивания в форматах HTML и PDF.