基于PCI Express架構(gòu)的第三代局域I/O總線

PCI總線的出現(xiàn)已有10年之久，并將在未來數(shù)年繼續(xù)扮演重要角色。然而，如今和與未來的處理器與I/O器件需要更高的I/O帶寬，這已超出PCI 2.2或PCI-X的范圍，現(xiàn)在業(yè)界需要制定新一代的PCI技術(shù)作為下一代平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)I/O總線。業(yè)界致力于創(chuàng)造出更高帶寬的總線，目前已經(jīng)有支持各種特定應(yīng)用總線的PC平臺(tái)，以及PCI I/O擴(kuò)展總線。

在可預(yù)見的未來，處理器系統(tǒng)總線仍將持續(xù)提升其頻率與電壓，而內(nèi)存帶寬必須配合處理器頻率的攀升而提高。芯片組通常被劃分為北橋芯片(連接內(nèi)存等)與南橋芯片(連接I/O等)，因?yàn)閮?nèi)存總線通常會(huì)隨著每一代處理器的演進(jìn)而更新。芯片組的一項(xiàng)主要功能就是將這些持續(xù)改變的總線與穩(wěn)定的I/O總線加以區(qū)隔。

仔細(xì)分析上個(gè)世紀(jì)90年代的PCI信號(hào)技術(shù)，我們可發(fā)現(xiàn)分支型(multi-drop)的平行式總線已逐漸走近其性能的極限，已無法輕易地升級(jí)頻率或降低電壓；其時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)傳輸受到信號(hào)偏移的限制，且信號(hào)路由法則已趨近FR4技術(shù)的成本效益極限。業(yè)界嘗試各種方法來突破這些限制，創(chuàng)造出更高帶寬的通用型I/O總線，導(dǎo)致須付出大筆成本來提升頻寬，性能增加的幅度卻相當(dāng)小。對(duì)于提供局域I/O總線標(biāo)準(zhǔn)方面，圖1所示的臺(tái)式機(jī)平臺(tái)解決方案僅是問題的一部分。PCI在制定規(guī)格之初并沒有想到會(huì)發(fā)展至臺(tái)式機(jī)平臺(tái)、移動(dòng)設(shè)備、服務(wù)器以及嵌入型通信等市場。

現(xiàn)今的應(yīng)用軟件對(duì)于平臺(tái)硬件的性能要求日趨苛刻，尤其是I/O子系統(tǒng)。來自不同音頻和視頻來源的流數(shù)據(jù)已在臺(tái)式機(jī)平臺(tái)與移動(dòng)平臺(tái)中很常見，而在PCI 2.2或PCI-X規(guī)格中至今尚未有足夠的性能來支持這類應(yīng)用。諸如視頻點(diǎn)播與音頻重分布(audio re-distribution)等應(yīng)用也迫使服務(wù)器需滿足“實(shí)時(shí)”傳送的需求。許多通信應(yīng)用與嵌入型PC控制系統(tǒng)亦需實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。今天的平臺(tái)，例如臺(tái)式PC，也需以越來越高的數(shù)據(jù)流量來處理多組同步傳輸。同等對(duì)待所有數(shù)據(jù)已不能被接受，例如先處理流數(shù)據(jù)就更加重要，因?yàn)閷?shí)時(shí)數(shù)據(jù)若處理過慢，等于沒有數(shù)據(jù)一樣。數(shù)據(jù)必須被加上標(biāo)簽，以便I/O系統(tǒng)能對(duì)它的數(shù)據(jù)流制定優(yōu)先級(jí)來流經(jīng)該平臺(tái)。

像千兆以太網(wǎng)與InfiniBand等應(yīng)用，需要更高帶寬的I/O。第三代I/O總線除了擴(kuò)展帶寬外，還需要整合一些額外的功能。

以下歸納出第三代局域I/O總線的要求：

1．支持多重市場以及新興應(yīng)用：統(tǒng)一式I/O架構(gòu)，支持臺(tái)式機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、服務(wù)器、通信平臺(tái)、工作站以及嵌入型設(shè)備；

2．成本與高產(chǎn)量：在系統(tǒng)層，成本需低于(或等于)PCI架構(gòu)的成本；

3．兼容PCI的軟件模式：不需任何修改就能引導(dǎo)現(xiàn)有的操作系統(tǒng)；具有與PCI兼容的配置與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口；

4．性能：通過頻率以及額外的傳輸管線來提升性能。每個(gè)引腳的帶寬很高。資源開銷低。低傳輸延遲；

5．支持多平臺(tái)連接類型：芯片對(duì)芯片，通過連接器的板對(duì)板，功能擴(kuò)展底座(Docking Station)，支持新的產(chǎn)品外型尺寸；

6．先進(jìn)功能：涵蓋不同的數(shù)據(jù)類型。電源管理。服務(wù)質(zhì)量。支持熱插拔。數(shù)據(jù)完整性與錯(cuò)誤處理?？蓴U(kuò)展性。支持嵌入史與通信應(yīng)用的各種基本機(jī)制。

7．其它：針對(duì)簇解決方案，支持處理器、內(nèi)存、線纜的協(xié)調(diào)互連機(jī)制。

加入交換器

最新的高速、低引腳數(shù)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)發(fā)展，為增大傳輸帶寬提供了一套具有吸引力的替代方案。PCI Express分支型的平行式總線拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)宿主橋接器與多組端點(diǎn)(I/O單元)；多重點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接架構(gòu)將交換器這個(gè)新元素導(dǎo)入I/O系統(tǒng)拓?fù)渲?，結(jié)構(gòu)如圖1所示。交換器取代了多點(diǎn)下載總線，用來為I/O總線提供扇出。交換器能在不同端點(diǎn)之間提供對(duì)等通訊機(jī)制，若其中沒有涉及高速緩存的傳輸，就不需要轉(zhuǎn)送至宿主橋接器。交換器看似一個(gè)獨(dú)立的邏輯單元，但可整合至宿主橋接器中。

低信號(hào)數(shù)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接模式可通過連接器與線纜加以建構(gòu)。PCI Express能創(chuàng)造出新的系統(tǒng)劃分模式。

圖2至圖4顯示運(yùn)用PCI Express架構(gòu)的2004年平臺(tái)。目前平臺(tái)中多組類似的并行總線被連接了多組管線的PCI Express所取代。每組鏈接都可視需要增加更多的管線，藉此提高傳輸帶寬。例如臺(tái)式機(jī)平臺(tái)的圖形以及服務(wù)器平臺(tái)中的總線橋接器(如PCI Express- to -PCI-X)。

PCI Express交換器提供輸出功能，并支持一系列的連接器，以增加高性能的I/O。交換器是一邏輯單元，能建置在含有宿主橋接器的元件中，或是構(gòu)建成獨(dú)立的元件。

業(yè)界預(yù)估PCI將被許多平臺(tái)繼續(xù)延用，以支持目前各種帶寬較低的應(yīng)用，直到有迫切性的需求出現(xiàn)，例如應(yīng)用在新的產(chǎn)品外型尺寸上，屆時(shí)將會(huì)全面轉(zhuǎn)移至完全的PCI Express平臺(tái)。

服務(wù)器平臺(tái)需要更多的I/O性能與連接管道，其中包括高帶寬的PCI Express，連接至PCI-X插槽、千兆以太網(wǎng)、以及InfiniBand架構(gòu)。圖3顯示PCI Express如何為服務(wù)器提供與臺(tái)式機(jī)系統(tǒng)相同的優(yōu)勢。PCI Express作為機(jī)體內(nèi)部I/O，再搭配InfiniBand作為機(jī)體外部的I/O，提供簇系統(tǒng)的互連管道，讓服務(wù)器能從“平行式共享總線”轉(zhuǎn)移至高速的序列互連架構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)可使用多個(gè)交換器，藉此提高聯(lián)機(jī)效率與服務(wù)質(zhì)量，來區(qū)隔不同的傳輸數(shù)據(jù)流。這類平臺(tái)也能運(yùn)用多個(gè)PCI Express鏈接，建構(gòu)出一個(gè)模塊化的I/O系統(tǒng)。

分層式設(shè)計(jì)