一種新的高帶寬 I/O 總線解決方案

2019-11-03 09:09:28

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■ PMC-Sierra公司MipS處理器部門總工程師 Brian Holden　　隨著通信與互聯網技術的飛速發展，每個組件對系統中其他組件的依賴程度日益明顯。當每個組件的新性能穩定之后，其他系統組件必須同步前進，否則，組件性能的提高對于系統設計者而言就失去了意義。例如，當前 I/O 總線體系結構的滯后性能實際上正限制著目前微處理器性能的發揮，使其所取得的重大成就不能獲得實際應用。沒有與這些高性能處理器同步的 I/O 總線解決方案，業界則無法調動最新進步的全部潛能。

　　HyperTransport I/O 技術可協助您走出這一困境。HyperTransport I/O 技術是一種可擴展的體系結構，可大大增加現有總線體系結構上的帶寬，并可通過替代傳統總線和網橋來簡化現有箱內連接。HyperTransport 技術具有方便易用、擴展自如、速度迅速，以及經濟高效等特點。此外，它還與傳統外圍組件互連 (PCI) 總線和新興標準兼容。為此，HyperTransport 便成為業界一直在尋求的理想解決方案。

I/O 帶寬挑戰

　　微處理器的性能每 18 個月便提高一倍，而 I/O 總線體系結構的性能每 3 年才可提高一倍。這樣，I/O 瓶頸就妨礙了處理器與內存子系統領域的革新，進而限制了整體系統性能，可清晰看出該問題的嚴峻性。

　　除了復雜化的處理器系統設計，系統還連接了眾多傳統總線——包括 ISA、VL-Bus、AGP、LPC、 PCI-32/33 和 PCI-X——以支持品種繁多的設備。這樣就增加了系統的復雜性，再加上總線仲裁和網橋邏輯活動設備，最終性能才能達到標準要求。許多傳統總線需要連接芯片包的信號針腳正在日益增加。這些增加的針腳需要額外的電源與接地針腳才能提供足夠的電流回路。額外電源會產生增加的熱量，最終導致系統設備崩潰。

　　復雜 3D 圖形處理、高速聯網、無線通信，以及軟件應用程序對于帶寬日益增長的需求將使當今本已過荷的 PCI 總線不堪重負。此外，諸如 MP3 音頻、v.90 調制解調器、USB、1394 和 10/100 以太網接口功能的增加也在競相耗用剩余帶寬?？偠灾?，這些帶寬需求都大大超出了 PCI 總線的能力。

高性能實現

　　HyperTransport 鏈路是集成電路間的一種高速度、高性能的點對點連接，可為嵌入式應用提供高性能鏈路，并可支持多處理系統實現高度擴展。HyperTransport 提供的通用總線類型可降低系統內的總線數目。其可擴展的體系結構使當前使用的諸如 PCI、PCI-X 和 AGP 等 I/O 總線體系結構的總線業務吞吐量大大增加。

　　HyperTransport 能夠提供高性能嵌入式應用(例如組網和通信)所需的較高數據速率， 32位寬鏈路支持的最高總帶寬為每秒 12.8 千兆字節。HyperTransport 使 PC、服務器、網絡和通信設備中部署的芯片能夠以快于當前技術允許的速度范圍彼此溝通，從而使多處理系統可實現高度擴展。

　　例如，PCI 以 133Mbps的速率傳輸數據；PCI-X以 1Gbps的速率傳輸數據；InfiniBand以1.25GB/s到4Gbps間的速率傳輸數據?！　yperTransport的12.8Gbpsc的數據傳輸速率比PCI 64/66MHz的傳輸速率快50倍，比PCI-X的傳輸速率快12倍，比4通道InfiniBand解決方案的傳輸速率快 10 倍。HyperTransport 是 InfiniBand 和 1GB/10GB 以太網解決方案的補充技術，為系統內的這些高帶寬設備提供了一種現成的解決方案。

高速可擴展解決方案

　　靈活的 HyperTransport I/O 總線體系結構是一種適用于嵌入式系統的綜合解決方案。時鐘速率范圍介于200MHz與800MHz 之間，每個時鐘周期傳輸2位。2、4、8、16和32位的標準總線帶寬允許為每個特定應用定制I/O總線特性，并且不對稱總線帶寬可支持上流和下流帶寬要求。HyperTransport提供的寬總線帶寬與速度選項可滿足當前和未來嵌入式系統的電源、性能和成本要求。對于需要高速、低延遲時間和可擴展性的任何應用(包括聯網、電信、計算機與高性能嵌入式應用)來說，該技術可大大增強其性能。

　　HyperTransport 編程模式可與現有模式兼容，僅需對現有操作系統和驅動程序軟件進行微小的改動。HyperTransport 可使系統設計人員能夠通過交換技術開發出極為復雜且性能卓越的可擴展聯網拓撲結構，同時也可維護和提高現有傳統 PCI 基礎設施的可擴展性和性能。HyperTransport 對 PCI 和諸如 InfiniBand 和 3GIO 標準等新興技術進行了補充。

　　多年來PCI總線一直被視為通用插座，HyperTransport 與 PCI 軟件的后向兼容使開發人員可以保留 PCI 兼容驅動程序軟件，同時也可利用 HyperTransport支持的性能優勢。HyperTransport 能夠作為 PCI 66/64 和基于 PCI-X 的系統的中間總線，使網絡設備制造商僅做微小的體系結構改動即可擴展端口數目及其系統帶寬。此外，HyperTransport 的可擴展網絡結構也可滿足未來設備轉換需要。

靈活 I/O 體系結構

　　HyperTransport 基于兩條點到點單向鏈路，該鏈路由數據通路、控制信號和時鐘信號構成。每個數據通路都可為 2 到 32 位寬。命令、地址可與數據共享數據通路。鏈路由數據通路、控制信號和一個或多個時鐘信號組成?；?HyperTransport 技術的完整系統由帶有 HyperTransport 端口的處理器、輸入鏈路與輸出鏈路，以及連接到 HyperTransport 總線的任意 I/O 通道組成。

　　HyperTransport 體系結構分為五層，其結構與開放式系統互連 (OSI) 參考模式類似。物理層包括數據、控制和時鐘線路；數據鏈路層包括初始化和配置序列、周期循環冗余檢查 (CRC)、斷開連接／重新連接序列、流量控制與錯誤管理信息包，以及其他信息包的二字節幀；協議層包括命令、命令運行的虛擬通道以及控制命令流量的排序規則；傳輸層使用協議層提供的元素執行讀與寫等操作；會話層包括協商與電源管理狀態變化、中斷，以及系統管理活動有關的規則。

　　HyperTransport技術中所用的信號傳輸技術是一種低壓差分信號(LVDS)形式，這種形式需要的針腳與線數較少。使用較少的針腳數可使小型產品的成本較低，同時也簡化了板的設計、布置路由和信號完整性問題。HyperTransport 采用了增強 LVDS 技術，該技術的開發宗旨是改進未來處理技術的性能，并確保 HyperTransport 技術標準具有較長的使用期限。由于收發器內置在控制器芯片中，該設計還降低了整體系統成本和電源要求。

HyperTransport 測試

　　HyperTransport 技術已授權給芯片廠商，如基于 MIPS并面向網絡與通信市場的64位微處理器的領先供應商—PMC-Sierra公司。目前PMC-Sierra公司已將 HyperTransport總線集成到其適用于服務器和通信系統的新型 RISC 處理器中。該公司首例 HyperTransport 的實施是將此技術應用在其新一代高性能處理器—基于 MIPS 指令集體系結構的 1 GHz RM9000x2 雙中央處理單元 IC中。

　　RM9000x2 是一種可擴展的多處理體系結構，可解決業界普遍存在的高速緩存系統內的處理器之間數據傳輸緩慢問題，并可在單個 CPU 產品上提供更加出色的吞吐率。憑借以 1 GHz 運行的雙 CPU 核心，RM9000x2 可實現最佳性能，而只消耗 5 瓦的電量。RM9000x2 的高速 I/O 連接——包括一個 500 MHz、8 位的 HyperTransport 總線接口——支持高速設備的性能要求，例如，邊緣路由器、核心路由器和企業服務器。

　　除了 HyperTransport 接口，RM9000x2 的高速總線集成接口包括 DDR SDRAM、 SysAD和本地總線，可提供訪問主存儲器的低延遲時間并為 I/O 設備提供很高的帶寬。HyperTransport I/O 總線可提供16GB/s的總線帶寬，從而使處理器實現最佳性能。此外，HyperTransport 接口還可輕松連接到多種高速聯網外圍設備上。

　　現已有超過 44 家公司獲得許可采用 HyperTransport 規范，許多公司已推出融入該技術的產品。除 PMC-Sierra 公司的 RM9000x2 外，HyperTransport 技術還正與 Altera 公司的 APEX II FPGA、AMD 公司的 Opteron、Broadcom 公司的 BCM1250、NVIDIA 公司的 nForce、Teradyne 公司的 Tiger 以及 Xilinx 公司的 Virtex II FPGA 相集成。

行業支持

　　由于 HyperTransport 被視為未來芯片與芯片間溝通和高速連接的基本解決方案，因此，多家倍受信賴的業界領導者紛紛聯手支持該技術的不斷發展。HyperTransport 聯盟成立于 2001 年 7 月，其宗旨是推動 HyperTransport 規范作為業界通信和聯網總線標準的未來發展和應用。

　　成員資格是公開的，該聯盟目前已擁有 10 個發起成員，他們組成了董事會，而捐助者與采納者的數目不斷增長。到今年年底，該聯盟的董事會將擁有 70 位或更多的新成員。這十家發起公司是業界巨頭 AMD、蘋果電腦公司、Broadcom、思科系統公司、 NVIDIA Corporation、PMC-Sierra、SGI、SUN微系統公司和 Transmeta Corporation。

結語

　　HyperTransport 的速度可從 200 MHz 擴展到 800 MHz；可提供比其它可用的替代體系結構更大的帶寬；采用低延遲時間響應；可將針腳數目減少到最少；確保與傳統 PC總線的兼容性以及操作系統的透明性；可擴展到新的 SNA 總線；對外圍設備驅動程序的影響達到最小。上述多種功能可使 HyperTransport 成為新一代嵌入式系統最全面的 I/O 總線解決方案。

　　HyperTransport 技術不是破壞傳統設計組件，而是對如 PCI 等外部可視總線標準以及如 InfiniBand 和千兆位以太網這樣的新興技術進行補充，從而使其成為現有箱內連接的通用解決方案。當前，HyperTransport 技術可用于高性能聯網、電信、計算機與嵌入式應用，以及任何視高速、低延遲時間和可擴展性為主要特點的應用。

　　除了提高集成微處理器(例如RM9000x2)的性能外，當前正在開發使用本機HyperTransport接口的各種組件，以改變通信系統設計的面貌。這些組件包括 PCI-X 網橋、千兆位以太網控制器、InfiniBand 通信適配器、加密／解密引擎及信息包分類引擎。未來應用可能還包括高可用性系統的高級錯誤管理、增強聯網功能，甚至更高速度的物理接口。

　　隨著組件制造商為提供更高的性能而不斷努力，系統設計的綜合性將越發寬廣，所面臨的挑戰也將日趨巨大。在這種情況下，系統設計人員將依靠革新和行業小組(例如，HyperTransport 技術聯盟)的推動，開發出完成設計所需、并能夠將產品成功地推向市場的技術?！?

摘自《電子產品世界》

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