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2009-05-21 04:03:44ＭａｔｔＪｏｎｅｓ

電子產(chǎn)品世界訂閱 2009年4期 收藏

關(guān)鍵詞：多播通信嵌入式

Ｍａｔｔ?。剩铮睿澹?/p>

摘要：新一代設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的更新開始傾向于PCIe，以利用采用PCIe作為本地接口的現(xiàn)成的處理器、外設(shè)和交換解決方案的豐富生態(tài)系統(tǒng)。本文討論表明，嵌入式和通信應(yīng)用市場(chǎng)是PCIe發(fā)明的旁路擴(kuò)展的一部分，而相關(guān)規(guī)范和支持產(chǎn)品的形式必須通過創(chuàng)新來滿足這些市場(chǎng)的需求。

關(guān)鍵詞：PCIe總線；嵌入式；通信；多播

PCIe(PCI Express)的定義是提供增強(qiáng)的、可擴(kuò)展的性能，緩解信號(hào)完整性和并行總線歷史擴(kuò)展帶來的電路板布局問題。要求很高的臺(tái)式和企業(yè)計(jì)算及存儲(chǔ)應(yīng)用對(duì)這種升級(jí)的互連標(biāo)準(zhǔn)的需求非常迫切。而這種需求促使PCI特別興趣小組(PCI-SIG)和元器件供應(yīng)商調(diào)整初始規(guī)范和系統(tǒng)解決方案，以滿足新出現(xiàn)的這些應(yīng)用需求。憑借基于充分滿足上述需求規(guī)范的目標(biāo)產(chǎn)品形式，高量產(chǎn)服務(wù)器和存儲(chǔ)市場(chǎng)的早期采用者將PCIe作為芯片與芯片之間互連事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，以加速和拓寬應(yīng)用。

盡管PCIe具有強(qiáng)勢(shì)的動(dòng)力并普遍存在于計(jì)算與存儲(chǔ)應(yīng)用當(dāng)中，PCIe在嵌入式和通信應(yīng)用方面卻一直受到極大限制。

PCIe規(guī)范是一個(gè)樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)單主干和眾多分支組成，非常適合在單一計(jì)算復(fù)合體及其相關(guān)本地I／O之間的有效連接。這一非常適用于服務(wù)器和存儲(chǔ)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)無法在多主系統(tǒng)中輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互連。先進(jìn)通信和嵌入式系統(tǒng)常常具備分布式計(jì)算和智能的特點(diǎn)，隨著時(shí)間的推移還可適合PCI和PCI-X結(jié)構(gòu)，以支持這種架構(gòu)。采用PCIe作為主系統(tǒng)互連需要規(guī)范的擴(kuò)展，以支持優(yōu)化的資源利用率、有效的數(shù)據(jù)傳輸和共享，以及多主系統(tǒng)中點(diǎn)與點(diǎn)之間系統(tǒng)一致性方面的構(gòu)建。

PCIe生態(tài)系統(tǒng)中的PCIe規(guī)范擴(kuò)展正在進(jìn)行，以滿足嵌入式和通信應(yīng)用的需求。這項(xiàng)工作正在挑剔的眼光下取得進(jìn)展，確保在不給廣大用戶群增加任何負(fù)擔(dān)或?qū)ΜF(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)或使用模式做出任何改變的情況下，獲得所需的功能擴(kuò)展。2008年5月，基于對(duì)PCIe基本規(guī)范2.0版的工程變更通知(ECN)，PCI-SIG為PCIe標(biāo)準(zhǔn)加入了多播功能。這一新增的功能為分布式系統(tǒng)單元間數(shù)據(jù)的移動(dòng)和共享提供了強(qiáng)大的功能，同時(shí)為PCIe在要求很高的嵌入式和通信應(yīng)用中的主系統(tǒng)互連的應(yīng)用掃除了一大障礙。PCIe多播可優(yōu)化系統(tǒng)資源，有助于實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)單元的有效數(shù)據(jù)傳輸，縮短延遲并提高一致性。重要的是，由于擴(kuò)展了現(xiàn)有的PCIe規(guī)范，而且不增加負(fù)擔(dān)，不需要修改現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)或使用模式，PCIe多播方案可以實(shí)現(xiàn)重要的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

多播的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

多播是將量化數(shù)據(jù)包同時(shí)傳輸?shù)揭唤M目的地，同時(shí)通過防止任何不必要的數(shù)據(jù)復(fù)制，有效管理資源和系統(tǒng)帶寬的方法。在應(yīng)用于嵌入式和通信應(yīng)用的分布式或復(fù)制智能系統(tǒng)中，多播功能為發(fā)送同時(shí)引導(dǎo)時(shí)間或復(fù)位命令等任務(wù)和圖像提供了一個(gè)有效的一對(duì)多的數(shù)據(jù)分配機(jī)制，從而縮短復(fù)位排序和系統(tǒng)宕機(jī)，以及關(guān)鍵路由和政策控制信息的同步更新時(shí)間，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性。

如圖1所示，通過多播將相同的數(shù)據(jù)傳輸給多個(gè)接收人，能夠降低開銷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化。在這個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型中，對(duì)比不支持多播的PCIe交換器與支持多播的PCIe交換器。支持多播功能的系統(tǒng)或交換器可以利用一個(gè)由交換器管理的一個(gè)多播處理替代4個(gè)順序環(huán)路處理，從而使發(fā)起的CPU更方便地繼續(xù)其他任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更有效的資源利用率。這種效率可以使系統(tǒng)計(jì)算資源承擔(dān)額外任務(wù)而充分提升性能，或者憑借所需的較低性能或較少的計(jì)算資源而節(jié)省系統(tǒng)成本和功耗。

除了系統(tǒng)資源優(yōu)化外，將環(huán)路單播處理轉(zhuǎn)換成一個(gè)多播處理器，可以縮短傳輸延遲，提高系統(tǒng)點(diǎn)與點(diǎn)之間的一致性。參照?qǐng)D1中簡(jiǎn)單的模型，假設(shè)數(shù)據(jù)的順序傳輸按編號(hào)發(fā)生，那么相對(duì)第一個(gè)端點(diǎn)而言，第四個(gè)端點(diǎn)是過時(shí)的，直到所有過程完成。在單主系統(tǒng)中，這樣的差距相對(duì)較小，因?yàn)榇蟛糠謹(jǐn)?shù)據(jù)由一個(gè)主機(jī)傳輸，在進(jìn)一步動(dòng)作之前，將會(huì)完成四個(gè)處理描述。然而，在分布式智能和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流量系統(tǒng)中，這種由重復(fù)單播處理帶來的差距會(huì)產(chǎn)生潛在的數(shù)據(jù)排序問題，因?yàn)榘赡茉谙鄬?duì)不同的時(shí)間傳輸?shù)矫總€(gè)端點(diǎn)，而非環(huán)路單播包的每個(gè)端點(diǎn)。假設(shè)通過環(huán)路發(fā)送至端點(diǎn)的信息是將路由表更新到通信系統(tǒng)包處理線卡的每四個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理單元(NPU)，那么每個(gè)端點(diǎn)路由表的更新都會(huì)基于順序傳輸和完成來增加延遲，隨之產(chǎn)生的差距允許線卡等待更新，路由根據(jù)此刻過時(shí)的表繼續(xù)接收包。

另外，多播數(shù)據(jù)可帶來整個(gè)系統(tǒng)較好的鏈路利用率，通?？梢韵鰪?qiáng)的性能所帶來的瓶頸，或?qū)崿F(xiàn)配置更小、更有效使用的鏈路，以節(jié)省功耗，降低電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性?；谏鲜龆x的PCIe多播協(xié)議只有在分支被占用才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。圖2描述了通過一對(duì)PCIe交換器可能擁有多個(gè)層級(jí)PCIe互連結(jié)構(gòu)。如圖左側(cè)所示，將相同的環(huán)路單播數(shù)據(jù)發(fā)送到端點(diǎn)1、2、3和4，會(huì)導(dǎo)致同一數(shù)據(jù)多次通過鏈路1和4。圖右側(cè)的系統(tǒng)利用PCIe多播功能，只需為每個(gè)需要邏輯復(fù)制數(shù)據(jù)的鏈路傳輸一次數(shù)據(jù)即可。

PCIe多播方案

最初討論的那樣，PCIe標(biāo)準(zhǔn)快速和廣泛的采用帶來了一個(gè)豐富的生態(tài)系統(tǒng)和曾依賴以前規(guī)范版本的巨大用戶群。因此，正如其他提議的擴(kuò)展一樣，PCIe多播絕不能給現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)或使用模式造成負(fù)面影響或增加負(fù)擔(dān)。尤其是，PCIe多播不需要對(duì)現(xiàn)有主聯(lián)合體、端點(diǎn)或新處理層數(shù)據(jù)包(TLP)格式進(jìn)行硬件修改。功能性的優(yōu)化取決于這些限制條件。PCIe多播是一個(gè)基于地址的多播功能，利用了一部分通用PCIe存儲(chǔ)空間和一個(gè)簡(jiǎn)單的編程模型，可以將存儲(chǔ)器滯后寫入TLP的標(biāo)準(zhǔn)PCIe發(fā)送至多達(dá)64個(gè)多播組(MCG)中的多個(gè)接收者。雖然一個(gè)MCG可以包括0或1個(gè)成員，然而只有當(dāng)MCG數(shù)大干2時(shí)系統(tǒng)才能獲益。因此，PCIe交換器(或系列交換器)必須用于提供發(fā)起者和MCG成員間的互連。多播流量可以由PCIe層級(jí)的任何器件發(fā)起，并傳輸給連接具有多播能力結(jié)構(gòu)的交換器端口的許多參與者。每個(gè)端口具有多播能力結(jié)構(gòu)的交換器可以在其任何端口之間傳輸多播包。主聯(lián)合體和端點(diǎn)可以從多播能力結(jié)構(gòu)中獲益，但如上所述，這是這些器件的可選功能。

如圖3所示，下列系統(tǒng)列舉不會(huì)受多播功能影響。從多播窗口基址開始，系統(tǒng)軟件通過在PCIe存儲(chǔ)空間打開一個(gè)多播窗口來設(shè)置多播地址空間。利用該基址，多播窗口可以設(shè)置成相鄰的地址范圍。這些地址范圍可能將多達(dá)64個(gè)支持MCG的每個(gè)端口劃分成大小相同的子區(qū)間。多播窗口的大小沒有實(shí)際限制(即多播窗口可達(dá)2⁶³個(gè)字節(jié))。多播窗口組的數(shù)目可以設(shè)置在1-64之間。

系統(tǒng)中支持多播的PCIe器件必須具有多播能力結(jié)構(gòu)，使每個(gè)PCIe功能實(shí)現(xiàn)多播。在PCIe交換器中，要求每個(gè)傳輸或接收多

播數(shù)據(jù)的交換器端口都必須在共相應(yīng)的虛擬PCI至PCI橋內(nèi)支持多播能力結(jié)構(gòu)。在每個(gè)多播能力結(jié)構(gòu)內(nèi)，同等配置的控制寄存器可以保持如下信息：多播窗口基址、MCG數(shù)目和MCG窗口大小。另外，每個(gè)能力結(jié)構(gòu)都保持一個(gè)獨(dú)立配置，并維持64位控制矢量。這些控制位可以激活或禁用來自MCG的0～63的TLP接收，因而支配了每個(gè)MCG中每個(gè)PCIe功能的關(guān)系。在器件工作過程中，寄存器和控制位可以隨時(shí)讀寫。

多播PCIe TLP的傳輸和路由與單播TLP相比略有變化。圖4為PCIe交換器基本功能圖，充分描述了這些差別。接收主發(fā)送的TLP時(shí)，入站端口的地址解碼決定TLP是一個(gè)多播TLP(從邏輯上講，這是初始處理成為多重處理的地方)。沒有錯(cuò)誤的解碼多播TLP轉(zhuǎn)發(fā)到交換器的虛擬PCI總線。單播流量有不同的路由規(guī)則，取決于TLP是在P2P橋的初級(jí)還是次級(jí)接收的。與單播流量不同，多播TLP是對(duì)稱轉(zhuǎn)發(fā)，而不必考慮P2P橋是否連了上行或下行端口。

所有連接到虛擬PCI總線的端口(即P2P橋功能)都可以接收多播TLP，檢查地址中MCG的ID，防止多播接收矢量的位狀態(tài)?；诿總€(gè)MCG，多播接收矢量顯示是否允許P2P橋功能向其目的地轉(zhuǎn)發(fā)TLP。這將有助于交換器上每個(gè)P2P橋功能以每組為基礎(chǔ)對(duì)多播TLP接收者進(jìn)行寄存。

一旦交換器內(nèi)的P2P橋功能接收了多播TLP，就會(huì)在TLP上執(zhí)行出站處理。多播TLP的出站處理將取決于連接在P2P橋的交換器端口上的鏈路組件能力。圖5顯示了PCIe交換器到PCIe交換器傳輸?shù)亩嗖ツ芰Y(jié)構(gòu)的鏈路組件的情況。TLP是在沒有修改的情況下由遠(yuǎn)程路由轉(zhuǎn)發(fā)的。不過，如上文所述，PCIe端點(diǎn)不需要實(shí)現(xiàn)多播能力結(jié)構(gòu)來接收多播TLP。為了支持不具有多播功能的端點(diǎn)，系統(tǒng)軟件必須保證端點(diǎn)的基址寄存器覆蓋一部分多播地址范圍，或者PCIe交換器必須使用隨意指定的多播覆蓋機(jī)制。

由于確保端點(diǎn)功能地址范圍覆蓋的工作和多播地址范圍給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者造成的負(fù)擔(dān)，以及每個(gè)產(chǎn)品SKU可能需要一個(gè)唯一的代碼庫，定義明確的交換器方案需要在每個(gè)交換端口的多播能力結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多播覆蓋功能，以優(yōu)化靈活性并利用現(xiàn)有的可用端點(diǎn)。如圖6所示，地址覆蓋功能機(jī)制可以用于重映射來自多播窗口到端點(diǎn)基址寄存器(BAR)窗口接收的多播TLP地址。地址覆蓋是由交換器端口執(zhí)行的。每個(gè)交換器端口可以配置不同的地址覆蓋值，從而獨(dú)立映射到伴隨每個(gè)端點(diǎn)的BAR窗口。支持32位和64位地址之間的轉(zhuǎn)換(例如，多播區(qū)域可以位于4GB邊界以上，而端點(diǎn)BAR可以在4GB邊界以下，反之亦然。)

結(jié)論

為了滿足要求很高的臺(tái)式、企業(yè)及存儲(chǔ)應(yīng)用的需求，PCIe標(biāo)準(zhǔn)已成為芯片與芯片之間互連事實(shí)上的接口，具有豐富的生態(tài)系統(tǒng)和高量產(chǎn)基礎(chǔ)的終端應(yīng)用。為滿足這些早期高量產(chǎn)應(yīng)用的需求，該規(guī)范和早期產(chǎn)品形式已進(jìn)行了調(diào)整來滿足其核心需求。隨著其他終端應(yīng)用和使用模式的出現(xiàn)，該規(guī)范和生態(tài)系統(tǒng)正擴(kuò)展其應(yīng)用的服務(wù)寬度。PCIe多播功能的最新進(jìn)展為多主嵌入式和通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了必要的擴(kuò)展，優(yōu)化的資源利用率，通過降低系統(tǒng)延遲提高了性能，完成了點(diǎn)與點(diǎn)之間的有效和一致的數(shù)據(jù)傳輸。以挑剔的眼光看，為了不給現(xiàn)有PCIe生態(tài)系統(tǒng)或用戶群增加負(fù)擔(dān)，擴(kuò)展的功能要求不對(duì)主或端點(diǎn)硬件，以及TLP格式做任何改變?；诘刂返腜CIe多播方案具有簡(jiǎn)單的編程模型，能夠以PCIe交換器激活，提供比之前的雙播等專有方案更加優(yōu)越的功能和靈活性。

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