PCI Express — ключевые отличия от PCI

Подробнее остановимся на ключевых отличиях PCI Express от PCI:

1. Как уже неоднократно упоминалось — новая шина последовательна, а не параллельна. Основные преимущества — снижение стоимости, миниатюризация, лучшее масштабирование, более выгодные электрические и частотные параметры (нет необходимости синхронизировать все сигнальные линии);
2. Спецификация разделена на целый стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощен или заменен не сказываясь на остальных. Например — может быть использован иной носитель сигнала или может быть упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для одного устройства. Могут быть добавлены дополнительные контрольные возможности. Развитие такой шины будет происходить гораздо менее болезненно — увеличение пропускной способности не потребует изменять контрольный протокол и наоборот. Быстро и удобно разрабатывать адаптированные варианты специального назначения;
3. В изначальной спецификации заложены возможности горячей замены карт;
4. В изначальной спецификации заложены возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service — Качество Обслуживания);
5. В изначальной спецификации заложены возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC);
6. В изначальной спецификации заложены возможности управления питанием.

 

Элементы и топология соединений PCI Express

Соединение PCI Express (PCI Express Link) — это пара встречных симплексных каналов, соединяющих два компонента. По этим каналам передаются пакеты, несущие команды и данные транзакций, сообщения и управляющие посылки. Канал может быть образован одной или несколькими линиями передачи сиг­налов (Lane); применение нескольких линий позволяет масштабировать про­пускную способность канала. В PCI Express с помощью пакетного протокола реализуются все транзакции чтения и записи, используемые в PCI, причем в расщепленном варианте (как в PCI-X). Таким образом, здесь фигурируют за­просчик (requester) и исполнитель (completer) транзакции.

В PCI Express рас­сматриваются четыре пространства:

1) пространство памяти (выделяется при конфигурировании),

2) пространство ввода-вывода (выделяется при конфигурировании),

3) конфигурационное пространство (конфигурационные регистры адресуются по идентификатору – номеру шины, устройства) и

4) пространство сообщений - используется для передачи в виде пакетов «внеполосных» сигналов PCI: прерываний по линиям INTx, сигналов управления и т. п.

Порт PCI Express содержит пере­датчик, приемник и узлы, необходимые для сборки-разборки пакетов.

Пример топологии шины PCI-Express приведен на рис. 5.26.

Рис. 5.26 Топология «фабрики» PCI Express

 

Центральным элементом архитектуры является корневой комплекс (root complex), соединяющий иерархию ввода-вывода с цен­тром — процессором (одним или несколькими) и памятью. Корневой комплекс может иметь один и более портов PCI Express, каждый из этих портов опреде­ляет свой домен иерархии (hierarchy domain). Каждый домен состоит из одной конечной точки (endpoint) или субиерархии — нескольких конечных точек, свя­занных коммутаторами. Наличие непосредственных одноранговых коммуника­ций между элементами разных доменов обязательным не является, но может иметь место в конкретных реализациях. Для обеспечения прозрачных одноран­говых коммуникаций в корневом комплексе должны присутствовать коммута­торы. Возможность взаимодействия центрального процессора с любым уст­ройством любого домена безусловна, как и возможность обращения любого устройства к памяти. Корневой комплекс должен генерировать запросы к кон­фигурационному пространству — его роль аналогична главному мосту PCI.

Конечная точка — это устройство, способное инициировать или/и исполнять транзакции PCI Express от своего имени или от имени устройства, не являюще­гося устройством PCI Express (например, от имени хост-контролера USB). Ко­нечная точка должна быть видима в одном из доменов иерархии — представ­лять в нем свои конфигурационные регистры и отвечать как исполнитель на конфигурационные запросы. В качестве механизма сигнализации прерываний все конечные точки используют MSI. В PCI Express рассматриваются два типа конечных точек: «наследники» (legacy) и новые точки, построенные по идеоло­гии PCI Express. К «наследным» точкам имеется ряд послаблений в плане адре­сации памяти, перемещаемости ресурсов (из пространства ввода-вывода в про­странство памяти) и некоторых нюансов.

Коммутатор (switch) имеет несколько портов PCI Express. Логически он пред­ставляет собой несколько виртуальных мостов PCI-PCI, соединяющих порты коммутатора со своей внутренней локальной шиной. Однако тех издержек, ко­торые вносят «настоящие» мосты PCI, коммутатор не вносит. Коммутатор транслирует между портами пакеты всех типов, основываясь на адресной ин­формации, актуальной для пакета данного типа. Арбитраж между портами ком­мутатора может учитывать виртуальные каналы и, соответственно, взвешенно распределять пропускную способность. Коммутатор не имеет права разбивать пакеты на более мелкие (у мостов PCI такое право имеется).

Мост PCI-Express-PCI соединяет иерархию шин PCI/PCI-X с «фабрикой» вво­да-вывода. Конфигурирование «фабрики» осуществляется либо со 100-процентной со­вместимостью с конфигурационным механизмом PCI 2.3, либо с использованием расширенного конфигурационного пространства PCI-X. Каждое соединение PCI Express с помощью виртуальных мостов отображается в виде логической шины PCI со своим номером. Логически устройства отображаются в конфигура­ционном пространстве как устройства PCI, каждое из которых может иметь 1-8 функций со своим набором конфигурационных регистров.

Архитектурная модель PCI Express.

Уровень транзакций (transaction layer) — верхний уровень архитектуры, отве­чающий за сборку и разборку пакетов TLP (Transaction Layer Packet — пакет уровня транзакций). Эти пакеты используются для транзакций чтения и запи­си, а также для сообщений о событиях некоторых типов. Каждый пакет TLP имеет уникальный идентификатор, который позволяет направить ответный па­кет его отправителю. Уровень транзакций отвечает и за управление пото­ком.

Канальный уровень (data link layer), промежуточный в стеке, отвечает за управ­ление связью, обнаружение ошибок и организацию повторных передач вплоть до успеха или признания отказа соединения. К пакетам, полученным от уровня транзакций, канальный уровень добавляет свои заголовки (номера пакетов и контрольные коды). Канальный уровень и сам является генератором и полу­чателем пакетов DLLP (Data Link Layer Packet — пакет канального уровня), ис­пользуемых для управления соединением.

Физический уровень (physical layer) изолирует канальный от всех подробностей передачи сигналов. Он состоит из двух субблоков.

Логический субблок при пере­даче выполняет распределение данных по линиям, скремблирование, кодирова­ние по схеме 8В/10В¹, кадрирование и преобразование в последовательный код. При приеме выполняются обратные действия. Символы, добавляемые при кодировании 8В/10В, используются для служебной сигнализации. Логический субблок отвечает и за согласование соединения, инициализацию и т. п.

Элек­трический субблок отвечает за электрическое согласование, синхронизацию, об­наружение приемника. Уровневая модель, принятая в PCI Express, позволяет, не затрагивая остальных уровней, сменить физический уровень или его суббло­ки, когда появятся более эффективные схемы кодирования и сигнализации. Интерфейс между физическим и канальным уровнями зависит от реализации этих компонентов и выбирается их разработчиком. Интерфейс физического уровня четко специфицирован, что обеспечивает возможность соединения уст­ройств разного происхождения. Для тестирования на соответствие электриче­ским параметрам достаточно подключить устройство PCI Express к специаль­ному тестеру.

Надежность передачи и целостность данных

 

Уровень транзакций формирует пакетыTLP, в которых содержатся код коман­ды, адресная информация, данные и некоторые другие поля.

Для обеспечения надежной доставки пакетов TLP канальный уровень при передаче снабжает их своим заголовком, содержащим 12-битный последовательный номер TLP, и 32-битным полем LCRC (CRC канального уровня). Таким образом, канальный уровень к каждому пакету TLP добавляет 6 байт накладных расходов. На каж­дый пакет TLP передатчик должен получить положительное подтверждение Ack— пакет канального уровня (DLLP). Если подтверждение не приходит, то механизм тайм-аута заставляет передатчик повторить посылку пакета. Преду­смотрен и пакет отрицательного подтверждения Nak_,вызывающий повторную передачу без ожидания.

Физический уровень вводит свое обрамление передаваемых пакетов: перед нача­лом пакета передается специальный символ STP (для TLP-пакета) или SD (для DLLP-пакета); после пакета — символ END. Эти специальные символы от­личаются от символов, представляющих данные после кодирования 8В/10В.

 

Для обеспечения надежности транзакций и целостности данных применяется CRC-контроль всех транзакций и управляющих пакетов. Запросчик считает транзакцию выполненной по получении подтверждающего сообщения от ис­полнителя (подтверждение отсутствует только для записей, отправленных в ос­новную память). Обработка ошибок в минимальном варианте аналогична PCI, причем обнаруженные ошибки отображаются в конфигурационных регистрах функций (в регистре состояния). Расширенные возможности сообщений об ошибках дают исходную информацию для развитых процедур изоляции отка­зов и восстановления, а также мониторинга и регистрации (logging) ошибок.

Ошибки делятся на три группы, что позволяет использовать адекватные проце­дуры восстановления:

· исправимые (correctable) ошибки автоматически вызывают аппаратную про­цедуру восстановления (повтора) и не требуют программного вмешатель­ства для нормального исполнения транзакции;

· неисправимые фатальные (fatal) ошибки для надежного возобновления ра­боты требуют сброса, в результате которого могут пострадать транзакции, не имеющие прямого отношения к ошибке;

· неисправимые нефатальные (non-fatal) ошибки не требуют сброса для возоб­новления работы — в результате этих ошибок могут быть потеряны лишь не­сколько транзакций, затронутых ошибкой.