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精解PCI-Express之——系统架构片

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对PCIE有全新的认识与学习,对广大初学者有很大帮助

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精解 PCI Express 之——系统架构篇    在上一篇我们了解了 PCI Express 总线的产生和技术优势,但要真正理解 PCI Express 总线技术的优越性还得从其结构本身说起,所以本篇就要全面介绍 PCI Express 总线的结构。      一、总体系统架构      在正式了解 PCI Express 串行链接物理和逻辑结构前,先来看一下 PCI Express 系统架 构的方框图。你可以看到 PCI Express 连接器已被移植到系统中的各个不同部分,为将来的 高速设备提供连接点。      PCI Express 的基本结构包括根组件(Root Complex)、交换器(Switch)和各种终端 设备(Endpoint)。根组件可以集成在北桥芯片中,用于处理器和内存子系统与 I/O 设备之 间的连接,而交换器的功能通常是以软件形式提供的,它包括两个或更多的逻辑 PCI 到 PCI 的连接桥(PCI-PCI Bridge),以保持与现有 PCI 兼容。当然,像 PCI Express-PCI 的桥设 备也可能存在。在 PCI Express 架构中的新设备是交换器(Switch),它取代了现有架构中 的 I/O 桥接器,用来为 I/O 总线提供输出端。交换器支持在不同终端设备间进行对等通信。 下图 1 就是 PCI Express 1.0 的拓扑结构图。       图 1  为了便于与现行的 PCI 总线结构进行有效对比,现把两种总线的桌面系统架构并列于下图 2 中。    图 2     在图中现有的 PCI 架构中,用于显卡的接口为 AGP,而新的 PCI Express 架构中以 PCI  Express 取代了,现有 CPI 架构 I/O 桥接器中的 PCI/PCI-X 桥接器在 PCI Express 架构中全 部以 Switch 交换器取代,增加了一些 PCI Express 总线接口用于与终端设备连接,当然为 了保持与现有 PCI 兼容,在第一版 PCI Express 架构中仍保留 CPI 接口。       PCI Express 总线技术将全面应用于桌面/移动和服务器系统中,但各自的体系结构不 完全相同,如图 3 左图所示的是桌面机和移动笔记本电脑中使用 PCI Express 总线的系统架 构,而图 3 右图所示的是服务器和工作站中使用 PCI Express 总线的系统架构。除此之外, 在网络中同样可以以使用 PCI Express 总线技术进行通信,结构图如图 4 所示。    图 3   从图 3 中的两个应用架构比较可以看出,PCI Express 总线技术在服务器和工作站中的 应用更为彻底,在服务器/工作站中除了内存子系统与芯片组之间的通信外,其它都是采用 PCI Express 总线来与芯片连接的,而在桌面机中在目前来说还主要是取代显卡中的 AGP 总 线和其它 PCI 板卡,如网卡,至于硬盘和外设接口都仍是采用相应的总线接口直接与芯片组 连接     图 4    从图中可以看出,PCI Express 总线在网络中的应用也是非常彻底的,除了内存子系统 外,几乎所有的外设及内置板卡都是直接或者间接通过 PCI Express 总线与芯片组连接的。      综上所述,目前来说 PCI Express 总线主要还是先从服务器、工作站和网络设备得到彻 底应用,在桌面机中主要以先取代 AGP 和部分 PCI 接口开始。      二、PCI Express 的体系结构      PCI Express 体系结构采用分层设计,就像网络通信中的七层 OSI 结构一样,这样利于 跨平台的应用。      PCI-Express 体系结构如图 5 所示。它共分为四层,从下到上分别为:物理层(Physical  Layer)、数据链路层 (Link Layer)、处理层 (Transaction Layer)和软件层 (Software  Layer)。图中的“S/W”和“Config/OS”均属于软件层。      PCI Express 的体系结构兼容于 PCI 地址结构模式,使得所有已有应用和驱动程序均不 需作任何修改即可应用到新总线系统中。PCI-Express 配置使用标准的 PCI 即插即用规格标 准。下面对以上各层分别进行具体介绍。      图 5  1. 物理层(Physical Layer)       物理层是最低层,它负责接口或者设备之间的链接,是物理接口之间的连接,可对应于 网络中 OSI 七层模式中的物理层来理解。      物理层决定了 PCI Express 总线接口的物理特性,如点对点串行连接、微差分信号驱 动、热拨插、可配置带宽等。初始的单一串行 PCI Express 链接包含两个低电压微分驱动 信号对(4 线的接收和发送对)的双向连接,即“发送”和“接受”信号。数据时钟使用 8/10b 解码方式来达到相当高的数据速率(这一技术同时也在其它串行总线技术中,如 InfiniBand 和 RapidIO),时钟信息直接被编码成数据流,比起分离信号时钟更好。微分 信号受两个不同方向的电压驱动,初始 PCI Express 的链接信号发送速率为单线每个方向 2.5GB/s,预计到 2004 年可达到 5GB/s 的信号传输速率,使用先进的硅技术把数据传输速率 提高到 10GHz(达到铜线传输的理论上最大值)。双向连接允许数据在两个方向上同时传输, 类似于全双工连接,如电话系统,但是在双向传输中,各自都有自己的地线,而不像双工传 输那样采用公共地线,在双向连接中可得到高速、更好质量的传输信号。单线双向信号线及 传输流程如图 6 所示。  Ref Clock Ref Clock     图 6     在图中的两个红色箭头代表两个不同的方向(发送和接收)的数据包,从图中可以 看出,单线数据传输每个方向只需 2 要芯线,即一根数据传输线,一根为地线。      PCI Express 链接可以配置为 x1、x2、x4、x8、x12、x16 和 x32 信道带宽,x1 带宽的 链接包含 4 条线,x16 带宽信道每个方向就有 16 个不同的信号对,或者 64 根信号芯线用于 双向数据传输;终极的 x32 带宽信道每个方向可以提供 10GB/s 的数据传输速率,但是在采 用 8 位/10 位编码方式的情况下,实际速率只可达 8GB/s,留有 20%富余。PCI Express 体系 结构可以通过速度的提高和先进的编码技术来升级,但这些速度的提高、编码的改进和媒介 的改变均只影响物理层,所以对于整个 PCI Express 架构来说升级是非常方便的。      如图 7 所示的是 PCI Express 总线数据流传输示意图。图的左边显示的是单信道情况下 数据流的传输方式,因为 PCI Express 属于点对点串行连接,所以在单信道情况下,数据流 是一个字节一个字节地传输。在图的右边显示的是多信道情况下 PCI Express 总线数据流的 传输情况。因为有多外信道,所以数据可以依次传输到各个信道,加快了整个数据传输的速 度,提高了数据传输效率,这有点类似于网络中的磁盘阵列  不过在此要注意的一点是,连接的双方信道配置要一致,不可不对称配置,也就是说说两个 方向的信道数要相等。这主要是 PCI Express 接口在外设中的应用情况下需要着重考虑的, 在计算机内部,通常两上 PCI Express 设备之间不会有什么通信请求,如显卡与网卡之间。 有些工业分析家建议在第一代用于替代 AGP 总线的 PCI Express 图形总线应该采用非对称设 计,来取代原有的 16 信道同步连接计划,因为他们认为从图形卡向系统内存传输的数据会 更少些。    图 7     在物理层的另一处重要方面就是中断。      PCI Express 支持两个类型的中断,现行的 PCI INTx (x= A, B, C, or D) 中断被保 留下来了,仍可在 PCI Express 总线中应用。还有一个新的中断类型,那就是 MSI (Message  Signaled Interrupt,信息信号中断),MSI 中断可以进一步优化 PCI .2/2.3 设备。INTx 中断方式可以用信号方式中断主机芯片请求,它可以与现行的 PCI 总线的驱动程序和操作系 统兼容。PCI Express 设备必须支持 INTx 和 MS 两种中断模式,原有设备将压缩 INTx 中断 信息在 PCI Express 处理信息中。MSI 中断是通过内存写处理操作边沿触发和发送的。重新 编写驱动程序对于 MSI 边沿触发中断是非常有利的,MSI 方案在使用数据包协议通过串行链 接中是一种行之有效的本地中断方式。MSI 在多处理器系统中任何设备都可以发送中断,比 起主机直接发送中断更加有效,所以现在许多多处理器系统和 I/O 架构都对 MSI 中断技术提 供支持  2. 数据链路层 (Link Layer)       数据链路层的主要职责就是确保数据包可靠、正确传输。它的任务是确保数据包的完整 性,并在数据包中添加序列号和发送冗余校验码到处理层。大多数数据包是由处理层发起的, 基于信任,数据流控制协议确保数据包只在终端缓存空闲时传输。排队了所有数据的重试, 使得信道带宽浪费现象得到有效地约束。但数据链路层在信号中断时自动重新传输数据包。 传输过程如图 8 所示。    图 8     3. 处理层(Transaction Layer)       处理层的作用主要是接受从软件层送来的读、写请求,并且建立一个请求包传输到链接 层。所有请求都是分离执行,有些请示包将需要一个响应包。处理层同时接受从链路层传来 的响应包,并与原始的软件请求关联。处理层还整合或者拆分处理级数据包来发送请求,如 数据读、写请求,并且操纵链接配置和信号控制。以确保端到端连接通信正确,没有无效数 据通过整个组织(包括源设备和目标设备,甚至包括可能通过的多个桥接器和交换器)。      在 PCI Express 总线技术中,数据包类型主要有两种,那就是由处理层发起的“处理层 数据包”(Transaction Layer Packet,TLP)和“数据链路层数据包”(Data Link Layer  Packet,DLLP)。每个数据包都有一个可以使响应包定向于正确发起者的唯一标识符,包的 格式支持 32 位内存地址和扩展 64 位内存地址。包同时还有如“非窥探”、“无严格排序” 和“优先权”等属性,这些属性将应用于优化路由 I/O 子系统的数据包。      处理层包括 4 个地址空间,其中 3 个是 PCI 接口原有的,如内存、I/O 和配置地址空间, 另一外新 PCI-Express 接口新加的,它就是“信息空间”。PCI2.2 标准中介绍不断变化的 系统中断宣传的方法称之为“信息信号中断”(Message Signaled Interrupt,MSI)。这 里特殊规格格式的内存写事物代替无边信号硬写,如中断、电源管理请求、复位等等有关信 息方面。另一个 PCI2.2 标准的特殊循环,如中断响应也属于信息执行范畴。你可以把 PCI-Express 信息称之为“虚拟线”,因为它们的影响将消除现有执行平台中的广阔无限频 带信号的排列。这几个地址空间类型的用途如下表所示。  地址空间  内存  不同地址空间的传输类型  处理类型  基本用途  读/写  处理来自或发送到内存中的数据  I/O  读/写  处理来自或发送到 I/O 节点中的数据  配置  读/写  设备配置或者设置  信息  基线/供应商定义/先进交 处理从事件信号机制到通用目信息的所有信息  换      PCI Express 使用数据包和层协议结构,而不需任何边带及旁路主流串行连接信号。层 协议已经在数据通信中使用多年,它们允许在不同协议的功能区域中保持分离,而且可以不 用做任何改动更新或者浓缩在其它不同层中。如新的处理类型可以包括在新的协议版本中, 而不会影响下面的层,或者物理媒介可以被更换,而不会对更高层有大的影响。      下图 9 说明了 PCI Express 的 3 个协议层(处理层、数据链路层和物理层)在数据传输 中的作用,数据流从一个设备的处理层发起,经过数据链路层,到物理的总线接口设备,然 后通过相应的 PCI Express 数据电缆传输到另一设备的物理层设备,经过另一设备的数据链 路层再传到处理层进行处理,第一层都代表一个协议栈。    图9   图 10 显示了数据包在两个设备中传输的实际流程,高层数据包信息被压缩在低层封装包 中,应用级数据最终在数据包的核心位置。处理层在端到端的数据传输中使用 32 位冗余校 验码,在数据链路层是使用 16 位校验码的。处理层数据包头包括许多控制信息和端到端传 输数据。      PCI Express 处理层使用基于信任的流控制机制来确保接收设备有足够的缓存资源用于 接受从发送端设备所传输的数据大小和类型。    图 10     讲到数据处理,再来讲一下 PCI Express 总线接口中新的结构,那就是虚拟通道(Virtual  lan)。类似于 InfiniBand,PCI Express 总线技术在每一个物理信道中也支持多点虚拟通 道,理论上来讲每一个单物理信道中可以允许有 8 条虚拟通道信道进行独立通信控制。每个 通信的数据包都定义不同的 QoS,如图 11 所示。当数据包通过 PCI Express 组织传输时, 在每个交换器或者链接终端,数据包的基本传输信息和传策略可以得到应用。传输信息在数 据包包头,它包括 3 位代码,可以描述 8 个不同的传输信道。    图 11     4. 软件层(Software Layer)       软件层被称为最重要的部分,因为它是保持与 PCI 总线兼容的关键。其目的在于使系统 在使用 PCI Express 启动时,像在 PCI 下的初始化和运行那样,无论是在系统中发现的硬件 设备,还是在系统中的资源,如内存、I/O 空间和中断等,它可以创建非常优化的系统环境, 而不需要进行任何改动。在 PCI-Express 体系结构中保持这些配置空间和 I/O 设备连接的规 范稳定是非常关键的。事实上,在 PCI-Express 平台中所有操作系统在引导时都不需要进行 任何编辑,也就是说在软件方面完全可以实现从 PCI 总线平稳过渡。      在软件响应时间模式方面,PCI-Express 体系结构支持 PCI 的本地存储、共享内存模式, 这样所有 PCI 软件在 PCI-Express 体系中运行都不需任何改变。当然新的软件可能包括新的 特性

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