一種新的高帶寬 I/O 總線解決方案

■ PMC-Sierra公司MIPS處理器部門總工程師 Brian Holden

　　隨著通信與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，每個(gè)組件對(duì)系統(tǒng)中其他組件的依賴程度日益明顯。當(dāng)每個(gè)組件的新性能穩(wěn)定之后，其他系統(tǒng)組件必須同步前進(jìn)，否則，組件性能的提高對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言就失去了意義。例如，當(dāng)前 I/O 總線體系結(jié)構(gòu)的滯后性能實(shí)際上正限制著目前微處理器性能的發(fā)揮，使其所取得的重大成就不能獲得實(shí)際應(yīng)用。沒有與這些高性能處理器同步的 I/O 總線解決方案，業(yè)界則無法調(diào)動(dòng)最新進(jìn)步的全部潛能。

　　HyperTransport I/O 技術(shù)可協(xié)助您走出這一困境。HyperTransport I/O 技術(shù)是一種可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，可大大增加現(xiàn)有總線體系結(jié)構(gòu)上的帶寬，并可通過替代傳統(tǒng)總線和網(wǎng)橋來簡化現(xiàn)有箱內(nèi)連接。HyperTransport 技術(shù)具有方便易用、擴(kuò)展自如、速度迅速，以及經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)。此外，它還與傳統(tǒng)外圍組件互連 (PCI) 總線和新興標(biāo)準(zhǔn)兼容。為此，HyperTransport 便成為業(yè)界一直在尋求的理想解決方案。

I/O 帶寬挑戰(zhàn)

　　微處理器的性能每 18 個(gè)月便提高一倍，而 I/O 總線體系結(jié)構(gòu)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(nèi)存子系統(tǒng)領(lǐng)域的革新，進(jìn)而限制了整體系統(tǒng)性能，可清晰看出該問題的嚴(yán)峻性。

　　除了復(fù)雜化的處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)還連接了眾多傳統(tǒng)總線——包括 ISA、VL-Bus、AGP、LPC、 PCI-32/33 和 PCI-X——以支持品種繁多的設(shè)備。這樣就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性， 再加上總線仲裁和網(wǎng)橋邏輯活動(dòng)設(shè)備，最終性能才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。許多傳統(tǒng)總線需要連接芯片包的信號(hào)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(huì)產(chǎn)生增加的熱量，最終導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備崩潰。

　　復(fù)雜 3D 圖形處理、高速聯(lián)網(wǎng)、無線通信，以及軟件應(yīng)用程序?qū)τ趲�寬日益增長的需求將使當(dāng)今本已過荷的 PCI 總線不堪重負(fù)。此外，諸如 MP3 音頻、v.90 調(diào)制解調(diào)器、USB、1394 和 10/100 以太網(wǎng)接口功能的增加也在競相耗用剩余帶寬�？偠�言之，這些帶寬需求都大大超出了 PCI 總線的能力。

高性能實(shí)現(xiàn)

　　HyperTransport 鏈路是集成電路間的一種高速度、高性能的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，可為嵌入式應(yīng)用提供高性能鏈路，并可支持多處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度擴(kuò)展。HyperTransport 提供的通用總線類型可降低系統(tǒng)內(nèi)的總線數(shù)目。其可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)使當(dāng)前使用的諸如 PCI、PCI-X 和 AGP 等 I/O 總線體系結(jié)構(gòu)的總線業(yè)務(wù)吞吐量大大增加。

　　HyperTransport 能夠提供高性能嵌入式應(yīng)用(例如組網(wǎng)和通信)所需的較高數(shù)據(jù)速率， 32位寬鏈路支持的最高總帶寬為每秒 12.8 千兆字節(jié)。HyperTransport 使 PC、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備中部署的芯片能夠以快于當(dāng)前技術(shù)允許的速度范圍彼此溝通，從而使多處理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高度擴(kuò)展。

　　例如，PCI 以 133Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)；PCI-X以 1Gbps的速率傳輸數(shù)據(jù)；InfiniBand以1.25GB/s到4Gbps間的速率傳輸數(shù)據(jù)。　　HyperTransport的12.8Gbpsc的數(shù)據(jù)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(wǎng)解決方案的補(bǔ)充技術(shù)，為系統(tǒng)內(nèi)的這些高帶寬設(shè)備提供了一種現(xiàn)成的解決方案。

高速可擴(kuò)展解決方案

　　靈活的 HyperTransport I/O 總線體系結(jié)構(gòu)是一種適用于嵌入式系統(tǒng)的綜合解決方案。時(shí)鐘速率范圍介于200MHz與800MHz 之間，每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸2位。2、4、8、16和32位的標(biāo)準(zhǔn)總線帶寬允許為每個(gè)特定應(yīng)用定制I/O總線特性，并且不對(duì)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(xiàng)可滿足當(dāng)前和未來嵌入式系統(tǒng)的電源、性能和成本要求。對(duì)于需要高速、低延遲時(shí)間和可擴(kuò)展性的任何應(yīng)用(包括聯(lián)網(wǎng)、電信、計(jì)算機(jī)與高性能嵌入式應(yīng)用)來說，該技術(shù)可大大增強(qiáng)其性能。

　　HyperTransport 編程模式可與現(xiàn)有模式兼容，僅需對(duì)現(xiàn)有操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序軟件進(jìn)行微小的改動(dòng)。HyperTransport 可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠通過交換技術(shù)開發(fā)出極為復(fù)雜且性能卓越的可擴(kuò)展聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)也可維護(hù)和提高現(xiàn)有傳統(tǒng) PCI 基礎(chǔ)設(shè)施的可擴(kuò)展性和性能。HyperTransport 對(duì) PCI 和諸如 InfiniBand 和 3GIO 標(biāo)準(zhǔn)等新興技術(shù)進(jìn)行了補(bǔ)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(fā)人員可以保留 PCI 兼容驅(qū)動(dòng)程序軟件，同時(shí)也可利用 HyperTransport支持的性能優(yōu)勢(shì)。HyperTransport 能夠作為 PCI 66/64 和基于 PCI-X 的系統(tǒng)的中間總線，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商僅做微小的體系結(jié)構(gòu)改動(dòng)即可擴(kuò)展端口數(shù)目及其系統(tǒng)帶寬。此外，HyperTransport 的可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也可滿足未來設(shè)備轉(zhuǎn)換需要。

靈活 I/O 體系結(jié)構(gòu)

　　HyperTransport 基于兩條點(diǎn)到點(diǎn)單向鏈路，該鏈路由數(shù)據(jù)通路、控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)構(gòu)成。每個(gè)數(shù)據(jù)通路都可為 2 到 32 位寬。命令、地址可與數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)通路。鏈路由數(shù)據(jù)通路、控制信號(hào)和一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)組成�；�于 HyperTransport 技術(shù)的完整系統(tǒng)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(jié)構(gòu)分為五層，其結(jié)構(gòu)與開放式系統(tǒng)互連 (OSI) 參考模式類似。物理層包括數(shù)據(jù)、控制和時(shí)鐘線路；數(shù)據(jù)鏈路層包括初始化和配置序列、周期循環(huán)冗余檢查 (CRC)、斷開連接／重新連接序列、流量控制與錯(cuò)誤管理信息包，以及其他信息包的二字節(jié)幀；協(xié)議層包括命令、命令運(yùn)行的虛擬通道以及控制命令流量的排序規(guī)則；傳輸層使用協(xié)議層提供的元素執(zhí)行讀與寫等操作；會(huì)話層包括協(xié)商與電源管理狀態(tài)變化、中斷，以及系統(tǒng)管理活動(dòng)有關(guān)的規(guī)則。

　　HyperTransport技術(shù)中所用的信號(hào)傳輸技術(shù)是一種低壓差分信號(hào)(LVDS)形式，這種形式需要的針腳與線數(shù)較少。使用較少的針腳數(shù)可使小型產(chǎn)品的成本較低，同時(shí)也簡化了板的設(shè)計(jì)、布置路由和信號(hào)完整性問題。HyperTransport 采用了增強(qiáng) LVDS 技術(shù)，該技術(shù)的開發(fā)宗旨是改進(jìn)未來處理技術(shù)的性能，并確保 HyperTransport 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有較長的使用期限。由于收發(fā)器內(nèi)置在控制器芯片中，該設(shè)計(jì)還降低了整體系統(tǒng)成本和電源要求。

HyperTransport 測(cè)試

　　HyperTransport 技術(shù)已授權(quán)給芯片廠商，如基于 MIPS并 面向網(wǎng)絡(luò)與通信市場的64位微處理器的領(lǐng)先供應(yīng)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(wù)器和通信系統(tǒng)的新型 RISC 處理器中。該公司首例 HyperTransport 的實(shí)施是將此技術(shù)應(yīng)用在其新一代高性能處理器—基于 MIPS 指令集體系結(jié)構(gòu)的 1 GHz RM9000x2 雙中央處理單元 IC中。

　　RM9000x2 是一種可擴(kuò)展的多處理體系結(jié)構(gòu)，可解決業(yè)界普遍存在的高速緩存系統(tǒng)內(nèi)的處理器之間數(shù)據(jù)傳輸緩慢問題，并可在單個(gè) CPU 產(chǎn)品上提供更加出色的吞吐率。憑借以 1 GHz 運(yùn)行的雙 CPU 核心，RM9000x2 可實(shí)現(xiàn)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(gè) 500 MHz、8 位的 HyperTransport 總線接口——支持高速設(shè)備的性能要求，例如，邊緣路由器、核心路由器和企業(yè)服務(wù)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(chǔ)器的低延遲時(shí)間并為 I/O 設(shè)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(shí)現(xiàn)最佳性能。此外，HyperTransport 接口還可輕松連接到多種高速聯(lián)網(wǎng)外圍設(shè)備上。

　　現(xiàn)已有超過 44 家公司獲得許可采用 HyperTransport 規(guī)范，許多公司已推出融入該技術(shù)的產(chǎn)品。除 PMC-Sierra 公司的 RM9000x2 外，HyperTransport 技術(shù)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(yè)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(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者紛紛聯(lián)手支持該技術(shù)的不斷發(fā)展。HyperTransport 聯(lián)盟成立于 2001 年 7 月，其宗旨是推動(dòng) HyperTransport 規(guī)范作為業(yè)界通信和聯(lián)網(wǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的未來發(fā)展和應(yīng)用。

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

結(jié)語

　　HyperTransport 的速度可從 200 MHz 擴(kuò)展到 800 MHz；可提供比其它可用的替代體系結(jié)構(gòu)更大的帶寬；采用低延遲時(shí)間響應(yīng)；可將針腳數(shù)目減少到最少；確保與傳統(tǒng) PC總線的兼容性以及操作系統(tǒng)的透明性；可擴(kuò)展到新的 SNA 總線；對(duì)外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的影響達(dá)到最小。上述多種功能可使 HyperTransport 成為新一代嵌入式系統(tǒng)最全面的 I/O 總線解決方案。

　　HyperTransport 技術(shù)不是破壞傳統(tǒng)設(shè)計(jì)組件，而是對(duì)如 PCI 等外部可視總線標(biāo)準(zhǔn)以及如 InfiniBand 和千兆位以太網(wǎng)這樣的新興技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，從而使其成為現(xiàn)有箱內(nèi)連接的通用解決方案。當(dāng)前，HyperTransport 技術(shù)可用于高性能聯(lián)網(wǎng)、電信、計(jì)算機(jī)與嵌入式應(yīng)用，以及任何視高速、低延遲時(shí)間和可擴(kuò)展性為主要特點(diǎn)的應(yīng)用。

　　除了提高集成微處理器(例如RM9000x2)的性能外，當(dāng)前正在開發(fā)使用本機(jī)HyperTransport接口的各種組件，以改變通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的面貌。這些組件包括 PCI-X 網(wǎng)橋、千兆位以太網(wǎng)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(yīng)用可能還包括高可用性系統(tǒng)的高級(jí)錯(cuò)誤管理、增強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合性將越發(fā)寬廣，所面臨的挑戰(zhàn)也將日趨巨大。在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將依靠革新和行業(yè)小組(例如，HyperTransport 技術(shù)聯(lián)盟)的推動(dòng)，開發(fā)出完成設(shè)計(jì)所需、并能夠?qū)�產(chǎn)品成功地推向市場的技術(shù)�！�

摘自《電子產(chǎn)品世界》