PCI-Express非透明橋在智能 系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計

0 引言
    在系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計師們面臨的重要挑戰(zhàn)是既要支持高可靠性(HA，High Availability)，又要使系統(tǒng)盡可能簡單、有效。而PCI Express、基于PCI Express的高級交換架構(gòu)(Advanced SwitchingArchitecture)、基于PCI Express的QOS(Quality-Of-Service)特性以及PCI-Express非透明橋的出現(xiàn)，共同為這樣的系統(tǒng)設(shè)計提供了一個非常有發(fā)展?jié)摿Φ慕鉀Q方案。

1 PCI Express技術(shù)簡介
    PCI Express技術(shù)是一個比較新的互連標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)適用于高性能的芯片到芯片、板子到板子、背板和機箱之間的互連。它是PCI標(biāo)準(zhǔn)的一個演進版本，因此，在軟件結(jié)構(gòu)上仍保持著對PCI的兼容性。
    PCI Express是基于層次化的、高速的串行通信技術(shù)。其協(xié)議棧可分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層。
    其中，物理層包括低電壓差分信號的高速串行接口、8B／10B編碼以及AC耦合差分信號。通常把一組LVDS雙絞線稱為一個通道(lane)，而且PCI Express允許將多個通道合并成一個更大更寬的端口，如x1，x2…直到x32。物理層接口可支持熱插拔(hot-plugging)。
    數(shù)據(jù)鏈路層可支持與臨近PCI Express實體交換數(shù)據(jù)包，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)完整性(data integrity)和順序性檢查，以及數(shù)據(jù)包的確認(rèn)和流量控制的能力。
    PCI Express技術(shù)系統(tǒng)中的傳輸層可在主機和終端設(shè)備間傳送讀／寫請求，并可選擇性的提供傳輸層的端到端(end-to-end)數(shù)據(jù)包的完整性檢查(CRC-32)。
    一直以來，PCI Express傳輸系統(tǒng)中的物理層的速度一直在不斷的提高，但是，分層結(jié)構(gòu)使物理層的變化不會影響到它的上層。如PCI Express1．x標(biāo)準(zhǔn)的時鐘頻率是1．25 GHz，2．0標(biāo)準(zhǔn)的則為2．5 GHz，3．0標(biāo)準(zhǔn)的是4 GHz。圖l所示是PCI Ex-press協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。

    PCI Express的QOS可通過定義8個運輸?shù)燃?TC-Traffic Classes)、八個虛擬通道(VC-VirtualChannel)、TC到VC的映射以及VC的仲裁機制來實現(xiàn)。
    PCI-SIG組織則定義了從PCI Express串行接口到PCI／PCI-X的橋接規(guī)范。該規(guī)范可以使得當(dāng)前使用PCI／PCI-X的應(yīng)用系統(tǒng)能夠平滑的轉(zhuǎn)移到PCI Express。圖2所示是一個典型的PCI Express系統(tǒng)，其中包含有根復(fù)合體(root complex)、PCIExpress交換開關(guān)(switch)、橋(bridge，PCI Expressto PCI-X，PCI Express to PCI)以及端點(end-point)等設(shè)備。

2 PCI Express非透明橋
    與PCI／PCI-X一樣，PCI Express本身也是開發(fā)維護一個以單一主機為中心的系統(tǒng)架構(gòu)，但是人們一直使用非透明橋把他們用在多主機的環(huán)境中。
    非透明橋的功能和透明橋很相似，其主要差別只有一點，即在非透明橋的兩邊都有智能設(shè)備或處理器，并且他們擁有獨立的地址空間。而且，非透明橋一邊的主機不能看到橋另一邊的完整地址或I／O空間。每個處理器把非透明橋的另一邊看做一個端點(endpoint)，并把它映射到自己的地址空間。

2．1 地址翻譯
    在非透明橋環(huán)境中，PCI Express系統(tǒng)需要在從一個內(nèi)存地址空間穿越到另一個地址空間時進行地址翻譯。每一個非透明橋(NTB)端口都有兩套基地址寄存器(BAR)，一套是給主設(shè)備端用的，另一套是給從設(shè)備端用的?；刂芳拇嫫骺捎脕矶x在非透明橋另一端的內(nèi)存地址空間的地址翻譯窗口，并允許這個翻譯被映射到本地的內(nèi)存或I／O空間。每個BAR定義了一個設(shè)置寄存器(setup register)，可用來定義窗口的大小、類型以及一個地址翻譯寄存器。與透明橋基于總線號轉(zhuǎn)發(fā)所有CSRs不同，非透明橋設(shè)備只接受針對本設(shè)備的CSR事務(wù)。其地址翻譯技術(shù)有直接地址翻譯和查表地址翻譯兩種。
    在直接地址翻譯模式下，地址翻譯的過程是基于事務(wù)終結(jié)的BAR基址加上一個偏移量。BARs中的基址翻譯寄存器可被用來設(shè)置這樣的翻譯。圖3所示給出了從主設(shè)備端地址映射到從設(shè)備端地址的偏移過程。

    BARs則用一種特別的查找表來為落在它窗口中的事務(wù)進行地址翻譯。因為地址中的索引域可通過編程來調(diào)節(jié)窗口大小，因此，這種方法在本地地址到主機地址的映射中具有更高的靈活性。通常索引被用來提供新內(nèi)存地址的高位比特(bits)。
2．2 處理器間的通信
    非透明橋允許橋兩邊的主機通過便箋寄存器、門鈴寄存器和心跳消息來交換一些狀態(tài)信息。
    便箋寄存器在非透明橋的兩端都是可讀寫的，但是，便箋寄存器的數(shù)量在具體的實現(xiàn)中是可以不同的。他們可以被橋兩邊的設(shè)備用來傳送一些狀態(tài)信息，也可作為通用的可讀可寫寄存器使用。
    門鈴寄存器被用來從非透明橋的一邊向另一邊發(fā)送中斷。非透明橋的兩邊一般都有軟件可以控制的中斷請求寄存器和相應(yīng)的中斷屏蔽寄存器。這些寄存器在非透明橋的兩邊都是可以被訪問的。
    心跳消息一般來自主設(shè)備端往從設(shè)備端的主機，可用來指示它還活著。從設(shè)備主機可監(jiān)控主設(shè)備主機的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)出錯，它就可以采取一些必要的措施。通過門鈴寄存器可以傳送心跳消息。當(dāng)從設(shè)備主機沒有收到一定數(shù)量預(yù)先規(guī)定好的心跳消息時，就可以認(rèn)為主設(shè)備的主機出錯了。

3 基于PCI Express非透明橋的多主機系統(tǒng)
3．1 智能插卡
    在智能卡模式下，智能插卡上的PCI Express非透明橋可以將IOP和Host CPU隔離開來，但仍允許這兩個CPU通過一些特殊的寄存器進行通信。圖4所示是智能插卡模式下的非透明橋的通信結(jié)構(gòu)。

3．2 雙主機模式
    非透明橋也可用在雙主機(Dual Host)、主機故障轉(zhuǎn)移(Host Failover)和負(fù)載分擔(dān)(Load-shar-ing)等應(yīng)用中。圖5所示是將兩個Host CPU被非透明橋隔離開的結(jié)構(gòu)示意圖。

3．3 多主機模式
    在多主機系統(tǒng)中，每一個主機都可以通過非透明橋接入到系統(tǒng)之中，并且可以訪問所有的端點。在PCI的枚舉過程中，每個端點都要和某個特定的CPU關(guān)聯(lián)，但在正常的操作過程中，依賴于非透明橋的地址翻譯能力。所有的CPU都可以訪問所有的端點。圖6所示是主機系統(tǒng)的非透明橋結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語
    非透明橋技術(shù)在PCI時代就已被應(yīng)用。現(xiàn)在，在PCI Express系統(tǒng)中也有類似的實現(xiàn)。相信在不遠(yuǎn)的將來，從簡單的智能插卡到復(fù)雜的、帶虛擬輸入輸出技術(shù)的多主機系統(tǒng)，人們都將看到PCIExpress非透明橋的廣泛應(yīng)用。