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PCI Express交換及橋接芯片的設計

作者: 時間:2017-06-13 來源:網(wǎng)絡 收藏

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/358125.htm

擴展到,Gen 2提供簡化的機會


當I/O互連世界從PCI過渡到PCI Express ()時,芯片扮演著一個關鍵角色:為了允許設計人員繼續(xù)在基于的系統(tǒng)使用PCI及PCI-X。一旦大多數(shù)這些端點像預期那樣一開始就使用,則由橋完成的互連將由完成,而器將使PCIe領域仍可采用老的PCI設計。


此次轉換帶來另外一個變化,設計正在向PCIe Gen 2及5GT/s性能移植,以實現(xiàn)下一代互連。一些公司已經(jīng)決定稱這些PCIe為“橋”。


PCIe至 PCI橋接功能的展望


傳統(tǒng)的PCI總線提供一種低成本、穩(wěn)健且清晰的互連標準。對于大多數(shù)應用,從PCI向PCIe過渡降低了成本及功耗,需要更少的引腳數(shù)量,從而具有更小的外形和更強的性能。


于是,系統(tǒng)板及芯片組現(xiàn)在一般都有幾個PCIe槽和有限的PCI連接。PCIe至PCI橋可以在系統(tǒng)板及升級卡上提供額外的PCI 或 PCI-X槽。這可以使用普通的“前向模式”橋配置完成。一些橋也提供“反向模式”配置選項,其允許從已有PCI槽生成PCIe槽。這對更新老主板很有用。


從Gen 1到Gen 2


PCIe Gen 2使用相同數(shù)量的線提供高達兩倍的最大吞吐量,需要在兩個標準之間進行橋接。此處,交換芯片可以用作橋,如圖1所示。其顯示了在根聯(lián)合體處帶兩個PCIe端口的Gen 2服務器芯片組,一個端口(x8端口)連接到Gen 2交換芯片。

圖1 Gen 2交換芯片用作從Gen 1 I/O到Gen 2根聯(lián)合體的橋


32線交換芯片配置有6個端口——一個上行x8 Gen 2端口及5個下行端口,下行都是x4 Gen 1端口。因此,交換芯片用作從Gen 1 I/O到Gen 2根聯(lián)合體的“橋”。


相似的系統(tǒng)可以進行從Gen 2 I/O到Gen 1根聯(lián)合體的反向類型橋接。因為交換芯片的上行端口僅僅運行在Gen 1模式,需要使用兩倍的線路在根聯(lián)合體中保持相同帶寬。另一方面,因為下行端口僅僅運行在Gen 2模式,每個槽只需要兩條線用于獲得相同的I/O帶寬,如圖1所示,其使用x4 Gen 1端口。


PCI至PCI橋經(jīng)常用于建立或添加PCI槽,允許從主機輸出到多個端點。圖2中,左側卡32位33MHz總線的最大吞吐量是125Mb/s,其中右側的x16 Gen 2槽提供8Gb/s。

圖2 PCI交換芯片可以取代橋用于增加輸出


圖形適配器正在發(fā)展,可以為不斷增加的復雜游戲及視頻提供更高的性能。一種方法是設計人員通過在單卡上部署多個GPU實現(xiàn)。這是輸出使用該模型的另外一個示例,但連接到GPU的下行端口是x16,可以獲得最大帶寬。此示例中,需要注意:在這些雙GPU卡中的相關文獻中,輸出交換芯片經(jīng)常指一個“橋”,容易在I/O領域造成混淆。


在其他應用中,如光纖信道主機總線適配器(HBA),不需要x16 Gen 2鏈路的全部帶寬(到目前為止)。然而,使用Gen 2鏈路可以使用更少的線路獲得給定帶寬,降低引腳數(shù)量及板空間,簡化布局及成本,并可以得到更小的外形。


對于操作系統(tǒng),PCIe交換芯片像一個橋


當PCIe交換芯片用于系統(tǒng)中根聯(lián)合體的輸出時,對于操作系統(tǒng)來說,每個交換芯片端口將像一個橋頭,如圖3所示。這反映了PCIe保持與PCI軟件向后兼容性的能力,因此,如果隨著接口的改變功能沒有增加,則從PCI到PCIe移植需要新的驅動程序。


圖3中拓撲可以在兩種情況下觀察。在老PCI系統(tǒng)中,系統(tǒng)通過主橋到三個橋下行輸出,可以允許幾個I/O設備聚集到系統(tǒng)主機總線上。如果需要域隔離,則部署非透明的(NT) PCI至PCI橋。

圖3 PCIe交換芯片形成一個橋架構


如果標準PCI至PCI橋允許主機看到后面的端點,則NT橋看起來就像一個到主機的端點,并且可以防止主機列舉NT橋后面的設備。NT橋允許打開窗口以交換數(shù)據(jù),同時隔離其后的處理器及內存空間。


透明橋允許系統(tǒng)以電氣隔離單獨的總線,這些橋在配置狀態(tài)寄存器(CSR)中使用1型頭以表示存在額外設備下行。


而NT橋保持處理器域的電氣及邏輯隔離。通過使用地址轉換,NT橋將處理從一個橋一側中轉到另外一側。他們使用CSR中的0型頭以終止被主機發(fā)現(xiàn)。

帶交換芯片的非透明橋接


至PCI橋,當今,許多PCIe交換芯片允許一個端口配置為一個NT“橋”,如圖4所示。此操作與NT橋一樣,只有這時該功能執(zhí)行為一個交換芯片端口的配置選項。

圖4 PCIe故障恢復系統(tǒng)可以利用非透明配置


如果應用中交換芯片已經(jīng)取代傳統(tǒng)橋,則此應用為雙主機故障恢復系統(tǒng)。如圖4所示,每個系統(tǒng)中配置兩個CPU,一個配置為主機,另外一個作為備用機,當主機發(fā)生故障時才使用。NT橋可以提供備用機和主機CPU間的域隔離。


除雙主機故障恢復系統(tǒng)外,使用NT橋接的應用包括帶嵌入CPU的插卡,如網(wǎng)絡安全處理器、RAID控制器及線卡。


交換芯片不止用于橋接


除了取代橋外,最新的Gen 2交換芯片已經(jīng)部署了幾個新功能,可以增強系統(tǒng)性能并簡化設計/調試,包括讀取調步及重鑄功能,兩種方法都增強吞吐量并減少流量擁塞,使用橋接不可能實現(xiàn)此功能。另外,系統(tǒng)調試功能,如包生成器、SerDes眼圖測量及性能監(jiān)測功能都在Gen 2交換芯片中配置,從而無須外部儀器就可以優(yōu)化性能。



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