基于PCI Express架構的第三代局域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技術作為下一代平臺的標準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)有支持各種特定應用總線的PC平臺，以及PCI I/O擴展總線。

在可預見的未來，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)，因為內(nèi)存總線通常會隨著每一代處理器的演進而更新。芯片組的一項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。

仔細分析上個世紀90年代的PCI信號技術，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，已無法輕易地升級頻率或降低電壓；其時鐘同步數(shù)據(jù)傳輸受到信號偏移的限制，且信號路由法則已趨近FR4技術的成本效益極限。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，導致須付出大筆成本來提升頻寬，性能增加的幅度卻相當小。對于提供局域I/O總線標準方面，圖1所示的臺式機平臺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發(fā)展至臺式機平臺、移動設備、服務器以及嵌入型通信等市場。

現(xiàn)今的應用軟件對于平臺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)已在臺式機平臺與移動平臺中很常見，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用。諸如視頻點播與音頻重分布(audio re-distribution)等應用也迫使服務器需滿足“實時”傳送的需求。許多通信應用與嵌入型PC控制系統(tǒng)亦需實時處理數(shù)據(jù)。今天的平臺，例如臺式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，因為實時數(shù)據(jù)若處理過慢，等于沒有數(shù)據(jù)一樣。數(shù)據(jù)必須被加上標簽，以便I/O系統(tǒng)能對它的數(shù)據(jù)流制定優(yōu)先級來流經(jīng)該平臺。

像千兆以太網(wǎng)與InfiniBand等應用，需要更高帶寬的I/O。第三代I/O總線除了擴展帶寬外，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用：統(tǒng)一式I/O架構，支持臺式機、移動設備、服務器、通信平臺、工作站以及嵌入型設備；

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

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

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

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

6．先進功能：涵蓋不同的數(shù)據(jù)類型。電源管理。服務質(zhì)量。支持熱插拔。數(shù)據(jù)完整性與錯誤處理?？蓴U展性。支持嵌入史與通信應用的各種基本機制。

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

加入交換器

最新的高速、低引腳數(shù)以及點對點技術發(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撲包括一個宿主橋接器與多組端點(I/O單元)；多重點對點連接架構將交換器這個新元素導入I/O系統(tǒng)拓撲中，結構如圖1所示。交換器取代了多點下載總線，用來為I/O總線提供扇出。交換器能在不同端點之間提供對等通訊機制，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。交換器看似一個獨立的邏輯單元，但可整合至宿主橋接器中。

低信號數(shù)、點對點連接模式可通過連接器與線纜加以建構。PCI Express能創(chuàng)造出新的系統(tǒng)劃分模式。

圖2至圖4顯示運用PCI Express架構的2004年平臺。目前平臺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。例如臺式機平臺的圖形以及服務器平臺中的總線橋接器(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，或是構建成獨立的元件。

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

服務器平臺需要更多的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。圖3顯示PCI Express如何為服務器提供與臺式機系統(tǒng)相同的優(yōu)勢。PCI Express作為機體內(nèi)部I/O，再搭配InfiniBand作為機體外部的I/O，提供簇系統(tǒng)的互連管道，讓服務器能從“平行式共享總線”轉(zhuǎn)移至高速的序列互連架構。

網(wǎng)絡通訊平臺可使用多個交換器，藉此提高聯(lián)機效率與服務質(zhì)量，來區(qū)隔不同的傳輸數(shù)據(jù)流。這類平臺也能運用多個PCI Express鏈接，建構出一個模塊化的I/O系統(tǒng)。

分層式設計