Tehnologii - PC Magazine Romania, Octombrie  2001

Despre siliciu şi nu numai în inima Văii Siliciului - 3GIO, o arhitectură I/O pentru viitor

Mihaela Cârstea

Busul PCI şi-a făcut treaba în ultimii 10 ani şi va mai continua să joace un rol important în următorii ani. Cu toate acestea, noile procesoare şi dispozitive de I/O necesită o lăţime de bandă superioară pentru operaţiile I/O decât pot oferi versiunile PCI 2.2 şi PCI-X. A fost necesară deci apariţia unei noi generaţii de bus standard I/O pentru viitoarele generaţii de platforme.

3GIO sau cea de-a treia generaţie a arhitecturii de interconectare pentru operaţii de intrare/ieşire cu scop general aduce nu numai mai multă lăţime de bandă dar şi alte funcţionalităţi.

Topologiei sistem i-a fost adăugat un switch

Topologia 3GIO conţine un Host Bridge şi mai multe puncte finale (dispozitive de I/O), aşa cum se poate observa în Figura 1. Multiplele conexiuni punct-la-punct introduc un element nou - switch-ul- care înlocuieşte busul multi-drop şi este folosit pentru asigurarea distribuirii în evantai a busului de I/O. Un switch poate oferi comunicaţie de tip peer-to-peer între diferite puncte finale şi acest trafic, dacă acesta nu implică transferuri de memorie cache clare, nu necesită redirecţionarea către host bridge.

Switch-ul este reprezentat în figură ca element logic separat, dar el ar putea fi integrat într-o componentă host bridge.

Datorită numărului scăzut de linii de semnal, conexiunile punct-la-punct pot fi realizate cu ajutorul conectorilor şi cablurilor.

Componentele mecanice din 3GIO vor permite noi clase de partiţionare a sistemului (nu mai este necesară existenţa cutiei bej).

Interconectare I/O cu scopuri generale pentru calculatoare desktop/mobile

Figurile 2-4 prezintă platforme tipice pentru anul 2003, ce vor folosi arhitectura 3GIO. Busurile paralele multiple, similare, folosite de platformele de azi sunt înlocuite cu legături 3GIO cu una sau mai multe benzi. Fiecare legătură este scalabilă individual prin adăugarea mai multor benzi astfel încât lăţimea de bandă suplimentară să se poată adresa acestor legături acolo unde este necesar - ca de exemplu în cazul graficii pe platforma desktop şi bridge-urilor bus (precum 3GIO - PCI-X) pe platformă server.

Un switch 3GIO oferă facilităţi de distribuire în evantai şi dispun de o serie de conectori pentru add-in, performanţe ridicate de I/O. Switch-ul este un element logic care poate fi implementat în interiorul unei componente care conţine de asemenea un host bridge sau poate fi implementat ca o componentă separată.

Sistem server/staţie de lucru bazat pe 3GIO

Se aşteaptă ca busul PCI să coexiste pe multe platforme pentru a suporta aplicaţiile cu lăţime de bandă scăzută atât timp cât va fi nevoie.

Platforma server necesită performanţe şi conectivitate sporite, inclusiv legături 3GIO de bandă largă, Gigabit Ethernet şi un sistem InfiniBand. Combinaţia dintre 3GIO pentru operaţii interne de I/O, InfiniBand pentru operaţii externe de I/O şi interconectarea clusterelor permite serverelor să realizeze tranziţia de la "busuri paralele folosite în comun" la interconectări seriale de mare viteză.

Sistem de comunicaţii prin reţea bazat pe 3GIO

Platforma de comunicare în reţea poate folosi switch-uri multiple pentru creşterea conectivităţii şi a caliăţii serviciilor pentru diferenţierea diferitelor tipuri de trafic. Poate beneficia de asemenea de legături 3GIO multiple ce pot fi construite ca un sistem modular de I/O.

Arhitectura 3GIO
Arhitectura 3GIO este reprezentată pe nivele, aşa cum se poate observa în Figura 5. Este menţinută compatibilitatea cu modelul de adresare PCI pentru a permite funcţionarea fără modificări a tuturor aplicaţiilor şi driverelor existente. Configuraţia 3GIO foloseşte mecanismele standard aşa cum au fost ele definite în specificaţiile Plug&Play PCI. Nivelele software vor genera cereri de citire şi scriere ce sunt transportate prin nivelul de tranzacţie către dispozitivul de I/O folosind un protocol de divizare a tranzacţiilor bazat pe pachete. Nivelul de legătură adaugă acestor pachete numărul de ordine şi CRC-ul pentru crearea unui mecanism de transfer al datelor cu o fiabilitate ridicată. Nivelul fizic de bază constă într-un canal dual-simplex care este implementat ca o pereche de transmisie şi una de recepţie. Viteza iniţială de 2,5 Gb/s/direcţie asigură un canal de comunicaţii de 200 MB/s care este de aproape două ori mai performant decât în cazul PCI.

Arhitectura 3GIO prezentată pe nivele

Vom analiza în continuare ceva mai în detaliu aceste nivele.

Nivelul fizic
Legătura de bază 3GIO constă din două perechi de semnale de putere scăzută, unul pentru transmisie şi celălalt pentru recepţie (Figura 6). Este incorporat un ceas ce foloseşte schema de codificare 8b/10b pentru a realiza rate foarte înalte ale datelor. Frecvenţa iniţială este de 2,5 Gb/s/direcţie şi se aşteaptă să crească, pe măsură ce tehnologia pe siliciu avansează, până la 10 Gb/s/direcţie (valoarea practic maximă pentru semnale în cupru). Nivelul fizic transportă pachetele între nivelele legăturii celor doi agenţi 3GIO.

Lăţimea de bandă a unei legături 3GIO poate fi scalată linear prin adăugarea de perechi de semnale pentru formarea de benzi multiple. Nivelul fizic acceptă lăţimi de bandă x1, x2, x4, x8, x12, x16 şi x32 şi descompune octeţii de date aşa cum se poate vedea în Figura 7. Fiecare octet este transmis, codificat 8b/10b, prin bandă (benzi). Dezasamblarea şi reasamblarea datelor este transparentă celorlalte nivele.

O legătură 3GIO foloseşte perechi de semnale pentru recepţie şi transmisie

În timpul iniţializării, fiecare legătură 3GIO este stabilită corespunzător unei negocieri a lăţimii benzii şi a frecvenţei operaţiei de către cei doi agenţi la fiecare capăt al legăturii. Nu este implicat nici un firmware sau sistem de operare.

Nivelul legăturii datelor
Rolul principal al nivelului legăturii este de a asigura distribuirea fiabilă a pachetului prin legătura 3GIO. Nivelul legăturii este responsabil de integritatea datelor şi adaugă un număr de ordine şi un CRC pachetului nivelului tranzacţional, aşa cum se vede în Figura 7.

FIGURA 7. Nivelul de legătură a datelor adaugă facilităţi privind integritatea datelor

Nivelul tranzacţional
Acest nivel primeşte cererile de citire şi scriere de la nivelul software şi creează pachete pentru transmisia către nivelul de legătură. Toate cererile sunt implementate ca tranzacţii de separare (split) şi unele din pachetele cerere necesită un pachet de răspuns. Nivelul tranzacţional primeşte de asemenea pachete de răspuns de la nivelul de legătură şi le compară cu cererile software originale. Fiecare pachet are un identificator unic care permite pachetelor de răspuns să fie direcţionate către solicitant. Formatul pachetului recunoaşte adresarea pe 32 de biţi şi chiar pe cea pe 64 de biţi. Pachetele au şi atribute de tipul "no-snoop" (fără detectiv), "relaxed-ordering" (comandă atenuată) sau "priority" (prioritate) care pot fi utilizate pentru direcţionarea optimă a acestor pachete prin subsistemul de I/O.

Nivelul tranzacţional suportă patru spaţii de adresă: 3 spaţii de adresă PCI (memorie, I/O şi configuraţie) la care se adaugă unul de mesaje. PCI 2.2 a introdus o metodă alternativă de propagare a întreruperilor de sistem numită Message Signaled Interrupt (MSI).

Nivelul software
Compatibilitatea software este esenţială pentru cea de-a treia generaţie de interconectare I/O. Există două aspecte ale acestei compatibilităţi: iniţializarea şi execuţia. PCI dispune de un model de iniţializare robust în interiorul sistemului de operare care poate detecta toate dispozitivele hardware add-in prezente, alocând ulterior resursele sistem necesare, ca de exemplu memoria, spaţiul şi întreruperile I/O, pentru crearea unui mediu de lucru optim. Spaţiul de configurare PCI şi programabilitatea dispozitivelor I/O reprezintă concepte cheie care rămân neschimbate în arhitectura 3GIO. De fapt, toate sistemele de operare vor putea să fie iniţializate fără modificări pe o platformă bazată pe 3GIO.

Modelul de execuţie suportat de PCI este de tipul încărcare-stocare, folosire în comun a memoriei, fiind păstrat şi în arhitectura 3GIO, permiţând execuţia fără modificări a oricărui produs soft existent. Produsele noi pot beneficia de noile facilităţi oferite.

Avantajele arhitecturii 3GIO
Conexiunea punct-la-punct diferenţială oferă o interconectare de foarte mare viteză prin folosirea unui număr mic de semnale.

Spaţiul său de mesaje elimină semnalele duble folosite anterior necesitând existenţa unui număr minimal de semnale de implementare.

Aceste îmbunătăţiri vor contribui de asemenea la reducerea costurilor.

Arapahoe Working Group lucrează la elaborarea specificaţiei 3GIO şi alături de PCI-SIG la posibilitatea apariţiei produselor bazate pe 3GIO în a doua jumătate a anului 2003.