АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2002 ГОД

С гиперскоростьюна новом Transport’е

• Все журналы \ Номер 24/195 `2002 от 10.06.2002 \ С гиперскоростьюна новом Transport’е

Александр ВОЛОХА alex_frost@ukr.net

Стандарт PCI, который используется в настоящий момент во многих компьютерных системах, достиг широкого распространения благодаря своей стабильности и тому, что поддерживается многими производителями. Однако при дизайне систем на основе шины PCI в последнее время разработчики столкнулись со многими проблемами, среди которых вопрос увеличения пропускной способности шины играет одну из главенствующих ролей.

PCI — шина общего пользования. Это значит, что устройства должны соперничать за используемые ресурсы. При этом допускается одновременная работа только двух-трех устройств, что очень ограничивает возможности расширяемости системы. Концепция шины HyperTransport призвана решить проблемы такого плана.

HyperTransport имеет меньшее число пинов (контактов —прим. ред.), большую скорость передачи данных и масштабируемость схем соединения, которые в свою очередь обратно совместимы с PCI. В то же время HyperTransport способна обеспечить более высокую пропускную способность, допускает большее число поддерживаемых топологий. Базовым строительным блоком топологии HyperTransport является соединение point-to-point (точка-точка, или устройство-устройство —прим. ред.), которое использует униполярное дифференциальное низковольтное сигналирование (signaling). Частоты в этом случае могут варьироваться между 400 мега-трансферами (MT) в секунду и 1.6 гига-трансферами (ГТ) в секунду. Ширина шины изменяется в диапазоне значений 2, 4, 8, 16 и 32 бит в каждом направлении. Комбинируя различные частоты передачи и число пинов, разработчик в зависимости от необходимости сможет поддерживать разную пропускную способность для отличающихся друг от друга систем. Максимальные значения пропускной способности составляют порядка 51.2 Гбит/c. Простейшая реализация шины достигается за счет использования шины восьмибитной ширины в каждом направлении и поддерживает частоты до 1 ГТ/c, что позволяет добиться скоростей передачи информации 8 Гбит/c в одном направлении.

Топологии

Существует три типа топологий, поддерживаемых стандартом HyperTransport: хост, туннель и односвязное устройство. Хост — это прямое подключение периферийного устройства к процессору или свичу. Туннель — это ведомое устройство (slave device) с двумя портами HyperTransport, которые позволяют подсоединять устройства последовательно. Односвязное устройство — это ведомое устройство, формирующее конечную точку подключения цепочки HyperTransport. Ведомые устройства могут быть либо мостами к другим шинам, таким как PCI, либо контроллерами, наподобие контроллеров Gigabit Ethernet или SCSI.

Свичи позволяют производить подключение многих цепочек соединений, и каждый порт из этой цепочки может выполнять одну из двух ролей: хост или слэйв. Преимущество свичей состоит в том, что они могут иметь не только различное число портов, но также эти порты могут быть как разной ширины, так и отличаться по скорости передачи. Что позволяет свичам балансировать нагрузки при передаче больших потоков данных или соединять различные компоненты системы на разных скоростях передачи и при неодинаковой ширине шины.

Базовое соединение point-to-point может быть использовано в различных топологиях, необходимых при разработке того или иного устройства.

Простейшая и самая дешевая конфигурация соединения HyperTransport достигается за счет использования одной цепочки устройств с одним хостом и одним или более туннелирующим мостом, как это показано на рисунке 1.

Такая конфигурация допускает подключение нескольких шин PCI для получения большей пропускной способности и большего количества слотов. Например, для конфигурации, использующей 6 слотов PCI на частотах в 66 МГц, в простейшем случае будет необходимо три последовательно соединенных друг с другом PCI моста. На самом деле, также можно установить «южный мост» в конце цепочки для предоставления смешанного доступа к процессору. В качестве шины, подключаемой к «южному мосту», может служить, например, USB.

Работа шины HyperTransport предусматривает использование двух или более процессоров, каждый из которых применяется для решения специфической задачи или для разделения одной-единственной задачи, требующей огромного количества процессорного времени. Схема такого подключения с двумя процессорами приводится на рисунке 2.

Также свичи на шине HyperTransport могут быть использованы для подключения контроллеров Gigabit Ethernet и SCSI к интерфейсу HyperTransport, как показано на рисунке 3. Эта конфигурация состоит из двух свичей, расположенных каскадом, что увеличивает количество доступных портов. Для устройств, которым необходима избыточность и наибольшая надежность для предотвращения сбоев и ошибок, применяется конфигурация, показанная на рисунке 4.

При использовании этой конфигурации соединение каждого моста PCI — HyperTransport дублируется. Одно из этих соединений работает по назначению, другое — в нагруженном резерве. Данные, передаваемые по такому соединению, маршрутизируются через два различных свича к двум независимым, выполняющим одинаковые функции процессорам. Система будет работать до тех пор, пока не произойдет сбой одновременно в двух дублирующих цепях. Если же один из процессоров или свичей начинает сбоить, то передача и обработка данных происходит через другой свич ко второму процессору. Если один из компонентов, ассоциированный с шиной PCI, дает сбой, то другой обеспечивает доступ к аналогичному элементу системы.

Устойчивость к ошибкам

Устойчивость к ошибкам очень важна практически для всех коммуникационных систем, по которым осуществляется обмен данными. Шина HyperTransport позволяет, в помощь системным архитекторам, увеличить устойчивость к ошибкам при разработке соединений point-to-point, создать избыточные системы с повышенной надежностью эксплуатации, включая конфигурации с поддержкой горячего подключения. Использование соединений point-to-point значительно увеличивает возможность локализации ошибок в системе. Что касается шины PCI, то ошибка в отдельном компоненте может нарушить работу сегмента шины. Комбинируя мосты PCI — HyperTransport со свичами HyperTransport, системные разработчики выбирают между возможностью иметь несколько PCI слотов и возможностью максимальной локализации ошибок в системе. К тому же, в конфигурации, имеющей хотя бы один свич, HyperTransport поддерживает возможность горячего подключения компонентов для устранения ошибок в системе прямо во время ее работы. За счет этого возможно без проблем, не отключая всю систему, произвести замену вышедшего из строя блока на новый.

Каждая цепочка HyperTransport может быть подключена к двум контроллерам (dual hosted), позволяя резервному контроллеру запускаться тогда, когда первичный вышел из строя. Благодаря этому достигается повышенная чрезмерность в конструкции системы. В результате этого можно избавиться от локализованных точек ошибок, поскольку абсолютно все в системе дублируется (рис. 4).

Электрическая модель

Комбинация соединений point-to-point и дифференциального однонаправленного сигналирования упрощает разработку системных плат и позволяет устанавливать большие расстояния между компонентами, нежели это достигалось при использовании шины PCI. Соединение HyperTransport может применяться между чипами на материнской плате компьютера, между отдельными платами, а также между аппаратными блоками одной системы. Расстояния между соединениями при шине HyperTransport достигают иногда 0.6-0.75 метров, в зависимости от расположения плат и разводки между ними. Соединения также могут быть использованы в виде небольших кабелей для подсоединения периферийных устройств напрямую к системной шине компьютера.

Как пример высоких скоростей передачи данных на большие расстояния фирма API NetWorks продемонстрировала технологическую разработку, позволяющую использовать соединения HyperTransport. Были достигнуты скорости передачи данных в 12.8 Гбит/c при длине соединения в 6 футов (~1.8 м). Поскольку одновременно шиной HyperTransport поддерживаются топологии цепь и звезда, то общая длина цепи может составлять несколько метров, в то же время допуская достаточно высокую гибкость в конфигурировании системы.

Дифференциальное сигналирование использует амплитуду сигнала в 600 мВ, получаемое из 1.2 В напряжения питания. При работе шины HyperTransport оба конца цепи приводятся в соответствие к одному импедансу (одному полному сопротивлению —прим. ред.). Поскольку для соединения используются двунаправленные линии с однонаправленным сигналированием, то для подключения служат два набора контактов, по одному в каждом направлении. Каждый из наборов соединений имеет в своем составе несколько проводов: один для передачи бита данных в одном определенном направлении, следующий — для сигналирования передачи 8 бит данных, и оставшийся — для контроля передачи информации. Всего в шине HyperTransport предусмотрено семь фиксированных сигнальных частот от 200 МГц до 800 МГц с шагом 100 МГц (от 400 МТ/c до 1.6 ГТ/c с шагом 200 МТ/c соответственно).

Длина соединения определяется во время его инициализации. При этом, чем большую ширину шины имеют устройства, тем уже для них нужно организовать интерфейс. После инициализации скорость передачи для всех соединений устанавливается в значение 400 MT/с, а потом уже конфигурируется программно, с помощью BIOS, в желаемое значение быстроты передачи данных и ширины шины, за счет возможностей двунаправленного соединения. Это значит, что можно увеличить ширину шины в одном направлении, например, при передаче данных от подключенного устройства, благодаря уменьшению ширины шины от передающего устройства, и наоборот.

Совместимость с шиной PCI

Совместимость со стандартом локальной шиной передачи данных PCI была очень важна при разработке спецификации HyperTransport, и именно это создает преимущества при распространении шины среди разработчиков. Чтобы позволить устройствам PCI и HyperTransport нормально взаимодействовать, нужно было сохранить общую программную модель для систем ввода/вывода PCI и HyperTransport. Поддержка совместимости включала поддержку мостов на основе PCI, PCI-моделей для операций с памятью, поддержку всех трех адресных пространств PCI (конфигурация/ввод-вывод/память) и совместимость с заголовками устройств и мостов PCI. К тому же, к стандартным возможностям PCI добавляются дополнительные преимущества, которые служат для максимизации общей производительности системы. Примером таких преимуществ может быть, например, поддержка упреждающей передачи данных и распределение скорости передачи данных для каждого соединения. Упреждающая передача данных на PCI позволяет обеспечить более эффективную пакетную передачу данных, что влияет на общую производительность шины. Распределение скорости передачи данных используется для того, чтобы за счет медленных устройств повышать скорость передачи данных к другим, более быстрым девайсам. Это достигается благодаря динамическому контролю над скоростью передачи данных всех подключенных к системе устройств.

Принципиальная разница между операциями шин PCI и HyperTransport заключается в инициализации соединения и сигналах прерываний. Процесс инициализации HyperTransport, включая определение частоты и ширины шины соединения, происходит перед инициализацией PCI-соединения и может осуществляться с помощью небольшой программной вставки к коду инициализации PCI-соединения в BIOS. Это связано с тем, что благодаря пакетной организации передачи данных прерывания от устройств посредством шины HyperTransport передаются быстрее, чем через соединения PCI. Пакеты прерываний переносят информацию, которая сгенерирована устройствами и должна быть проинтерпретирована хост-мостом.

Разработка устройств на основе шины HyperTransport

Мы рассмотрели различные топологии, которые можно использовать для разработки систем на основе шины HyperTransport. Не менее пристальное внимание надо уделить «строительным блокам», применяемым для создания устройств на основе шины HyperTransport. Производители, входящие в консорциум HyperTransport, в настоящий момент ведут активные поиски в этом направлении. Одним из обязательных условий таких разработок является совместимость с продуктами других фирм, входящих в консорциум.

Что делает шину HyperTransport привлекательной для разработчиков аппаратного обеспечения? Во-первых, это явные ее преимущества над PCI, а также ее обратная совместимость с существующими шинами. Во-вторых, это поддержка стандарта многими производителями, входящими в HyperTransport Consortium. И, наконец, огромное количество доступных сегодня на рынке продуктов, которые совместимы с этим стандартом благодаря его удачным особенностям.

Важным фактором, влияющим на выбор технологии для дальнейших исследований, является стабильность, открытость и широкая поддержка стандарта разными производителями. HyperTransport Consortium (http://www.hypertransport.org) — это открытая индустриальная организация, созданная ведущими производителями аппаратного обеспечения для разработки, поддержки и развития спецификации HyperTransport I/O Link. В настоящий момент она насчитывает огромное количество участников, назову только основных: Cisco, Broadcom, PMC-Sierra, API NetWorks, Sun Microsystems, Apple и AMD. Более 180 компаний сегодня уже лицензировали стандарт HyperTransport, большинство из них уже выпустили на его основе свои продукты. Например, Broadcom представила на рынок MIPS-процессор Mercurian SB-1250 с интегрированным интерфейсом HyperTransport. Аналогичные продукты выпустили также PMC-Sierra (RM9000x2) и Sandcraft. API NetWorks одной из первых представила на рынок мост AP1011 между шинами HyperTransport и 66-MГц 64-бит PCI. NVIDIA недавно анонсировала свой чипсет nForce, использующий соединение HyperTransport для передачи данных между своими элементами. AMD, в свою очередь, заявила, что процессор следующего поколения ‘Hammer’ также будет иметь интегрированную поддержку соединений HyperTransport.

Заключение

Поскольку буквально с каждым днем требования к пропускной способности каналов обмена информацией в вычислительных системам возрастают, то у разработчиков начинают возникать проблемы со старым инструментарием, непригодным для создания новых, передовых аппаратных продуктов. Одним из возможных решения проблем высокоскоростной передачи информации между компонентами компьютера может стать технология HyperTransport.

Special thanks for technical support in preparation of the article to TomMorris (tom.morris@api-networks.com), technical evangelist and director of product marketing at API NetWorks.

Идёт загрузка...

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий:
Введите символы или вычислите пример: * Обновить