??? 摘? 要: 介紹了HT總線的特點,并比較了其與傳統PCI總線及競爭者PCIe總線的異同點,闡述了HT總線的優勢,HT總線在嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統中的設計、應用和調試經驗。?
??? 關鍵詞: HT總線;? PCIe;? PCI?
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??? 隨著CPU頻率的不斷提升,CPU內核數目的不斷增加,CPU與外設" title="外設">外設之間的連接——I/O" title="I/O">I/O總線的速度逐漸為阻礙計算機平臺發展的瓶頸。例如,廣泛應用于計算機內模塊互連的PCI總線的速度已經成為木桶中的“短板”。PCI總線是一種共享式總線,一般工作頻率" title="工作頻率">工作頻率為33MHz,當工作頻率提升到66MHz時,外設的數目就屈指可數。HT總線正是為了克服這一瓶頸及追求更快的速度、更低的時延而誕生的。?
1 HT總線的特點?
??? 超高速HT(HyperTransport)總線是AMD公司主導推出的新一代總線技術。HT總線是點對點、低延時、高速可擴展總線,在軟件上與原有的PCI總線完全兼容。HT總線采用DDR時鐘,上下沿都可觸發,在400MHz工作頻率下,相當于800MHz的傳輸頻率。HT總線的最低頻率為200MHz,可以向300MHz、400MHz、500MHz、600MHz、800MHz、1GHz、1.2GHz、1.4GHz、1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz擴展(最新的HT3.0標準支持2.6GHz時鐘[1]);HT總線的單向數據寬度可以是2位、4位、8位、16位、32位;頻率和數據寬度可以設置成收發不對稱,最大帶寬達到41.6GB/s。芯片之間采用HT總線的典型連接如圖1所示。?
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??? HT總線采用改進的低電平差分信號(LVDS),接口電壓為1.2V(傳統LVDS電平為2.5V),改進的LVDS能降低功耗和噪聲,每個方向有時鐘(CLK)、控制(CTL)和數據(CAD)三類信號。CAD是復用信號,CTL決定了CAD承載的是控制包還是數據包。如果CTL為低電平,則CAD上就是數據包,否則是控制包。每8對CAD信號配備一個時鐘信號。RESET和PWROK是低速信號,用于控制冷啟動和熱啟動。另外,還有可選的LDTSTOP#信號和LDTREQ#信號,用于電源管理。?
??? HT3.0標準將HT的應用范圍從芯片級擴展到了板級和機箱級。它支持熱插拔,并支持真正動態的頻率和帶寬(HT3.0之前的標準需要熱啟動以后才能使變更后的頻率和帶寬生效)調整。動態地改變頻率和帶寬可以使系統在數據量大時增加帶寬并提高頻率,而在數據量小時降低頻率或減少帶寬,從而降低了功耗和電磁輻射,體現了HT總線的靈活性和可擴展性。HT的帶寬可以聚合和拆分,例如,16位寬的HT總線可以拆分成2條8位寬的HT總線,反之亦然。?
??? HT總線另一大特點是:當數據位寬不是32位時,可以分批傳輸數據來達到與32位相同的效果。例如,如果數據位寬為16位,32位的數據則分兩批傳輸;如果數據位寬為8位,32位數據則分四批傳輸。這種數據分包傳輸的方法,使HT總線在應用上具有更大的彈性空間。?
??? 目前有四類HT總線設備[2]:?
??? (1) 主橋(Host)設備:類似PCI總線上的北橋。?
??? (2) 終端(Cave)設備:HT總線的末端,例如具有一個HT接口的加密芯片。?
??? (3) HT橋:類似PCI橋,從一條HT總線擴展出多條HT總線。?
??? (4) 管道(Tunnel)設備:有2個HT接口,可擴展其他類型總線。管道設備兩側的總線號保持不變,這是它與HT橋的主要區別。?
??? 這些設備可以使設計師方便靈活地利用HT總線構建菊花鏈型、星型、網格型等多種拓樸結構。為了支持并行計算和多處理器" title="多處理器">多處理器(SMP)的發展,HT提供了二種原子操作指令:(1)數據讀取并增加;(2)數據比較并交換。這些指令給多處理器操作系統中旋轉鎖和數據一致性操作的實現提供了極大的便利。?
2 HT總線與PCI總線的比較?
??? 因為HT總線發展的初衷是取代PCI等低速I/O總線,提高計算機平臺的整體性能,所以在軟件上,HT總線的驅動和配置方式與PCI兼容。這樣,可以充分利用現有及廣泛使用的PCI軟件,如果硬件平臺升級成HT互連方式,操作系統和相關驅動軟件可以保持不變。?
??? 在硬件上,HT總線與PCI不同之處:?
??? (1)速度快:HT總線采用了點對點互連,并采用了LVDS信號,速度可達2.6GHz;而PCI基于波反射原理的共享式總線,要兼顧各個設備的走線阻抗匹配,速度最高為66MHz(PCI-x能達到533MHz)。共享式總線增加一個設備不但會影響整條總線的電氣特性,而且使平均設備帶寬急劇下降。?
??? (2) HT總線的頻率動態可調,而PCI總線需要額外的電路才能調節頻率,并且需要重啟總線才能生效。?
??? (3) HT總線收發信號完全分開,兩個方向的頻率和數據寬度可不對稱,擴展性強,而PCI總線無此特性。?
??? (4) HT總線的數據寬度動態可調,PCI總線不可調。?
??? (5) HT總線是在確保對端設備具有反應能力的前提下,才發起操作,是低延時可靠傳輸;PCI總線則不然,延時較大。?
??? (6) PCI總線需要仲裁信號,而HT是點對點連接,不需要仲裁信號。?
??? (7) PCI總線有報錯信號,而HT是依靠控制包來報錯。?
??? (8) PCI總線有中斷信號,而HT是依靠控制包來管理中斷。?
??? 總體而言,與PCI相比,HT的信號類型少,許多功能由控制包來完成。?
??? 業界常用平均每引腳吞吐量來衡量I/O總線的性價比:?
??? (1)運行在頻率為66MHz的PCI總線,平均每引腳吞吐量約為:6.95MB/s(264MB/s [66MHz×4B]/38引腳 [32根數據線+5根控制線+1根時鐘線])?
??? (2)而運行在最低頻率200MHz下的HT總線的平均每引腳吞吐量約為:22MB/s(1600MB/s [200MHz×2DDR×4B]/74引腳[32個CAD信號對+4個時鐘信號對+1個CTL信號對])?
??? 由此可見,HT總線與PCI/PCI-x總線相比占有明顯優勢。?
3 HT總線與PCIe總線的比較?
??? PCIe是Intel公司主導推出的連接外設的I/O總線,它在軟件上完全向下兼容傳統的PCI總線,是HT總線的主要競爭者,兩者都是點對點連接。PCIe的傳輸包分為三層:協議層、鏈路層和物理層。前兩層都在純數據上增加頭信息,協議層的頭占12～16字節,鏈路層的頭占8字節,物理層進行8b/10b轉換,增加了20%的數據量。而HT的數據包頭只占8~12字節,所以HT能夠獲得比PCIe更高的傳輸效率。表1列出了兩者的吞吐量比較,其中PCIe考慮到了20%的轉換損耗。?
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??? 由于PCIe的8b/10b轉換需要SerDes模塊,所以耗能較多。而HT采用了獨一無二的優先請求插入(PRI)技術來提高帶寬利用率,即控制包可以插入到一個數據包的傳輸過程中。一個數據包在傳輸過程中可以被打斷或稱為暫停,插入一個控制包后,這個數據包中的剩余數據被繼續傳輸。PRI特性非常有用,尤其是控制包傳送的是“讀請求”,對端不需要等待當前數據包完全接收后就已經接收到了控制包,并準備或者已經把數據發送回去了。?
4 HT總線在嵌入式系統中的應用?
??? 因為HT總線最初是AMD公司在1999年提出的一種總線技術,隨著AMD 64位平臺的發布和推廣,HT在PC平臺中的應用越來越廣泛,也越來越被人們所熟知。目前,HT聯盟已經包括了Broadcom、Cisco、PMC、Sun、Agilent、Apple、Altera、Cadence、Dell、HP、IBM、Xilinx等眾多芯片廠商和設備、工具制造商。HT接口已經廣泛集成到各類功能芯片之中。HT總線在嵌入式系統領域也正在逐步取代PCI等傳統I/O總線。?
??? 圖2是利用HT總線構建的一個高性能嵌入式系統,可用于網絡處理、路由、復雜計算等高端應用。HT如同一條主干道,連接了主橋、HT管道設備、網絡處理器等器件。HT橋擴展了主橋的HT接口,HT-PCI管道器件將HT口轉換到PCI接口,用于連接傳統的PCI設備;HT-GE管道器件擴展出千兆以太網口。HT終端設備可以是網絡處理器(NPU)、安全處理器(IPSec)、南橋等器件。這些具有HT接口的器件都可以在市場上找到。例如,RMI公司的XLR732就是一種具有HT接口的網絡處理器。?
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??? HT還可用于處理器間的互連,建立并行計算平臺。例如,Broadcom的BCM1480是高性能4內核MIPS處理器[3],具有三個HT接口。HT總線可以將多個BCM1480互連,組成分布式超高性能的計算平臺,如圖3所示。HT總線的原子操作特性方便多處理器操作系統中自旋鎖的實現,并支持內核、一級緩存、二級緩存、內存和HT設備之間的數據一致性。
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4.1 HT接口的初始化?
??? HT總線定義了冷啟、熱啟和鏈接初始化三個啟動步驟。當HT器件的電源和時鐘正常后,PWROK信號必須保持低電平并至少維持1ms。當PWROK信號變高后,RESET信號也必須維持至少1ms低電平。RESET信號變高后,HT兩端的器件通過控制包協商頻率和帶寬,這完全由硬件完成,其頻率默認為200MHz,而帶寬由雙方器件窄的一側決定,但最寬不超過8位。硬件協商的結果能夠保證HT總線兩端建立起正常安全的通信,但性能不是最優的。然后,啟動代碼或驅動軟件負責優化HT配置,通過讀取兩側器件的帶寬能力和頻率能力配置寄存器,決定雙方都能接受的最大帶寬和最高頻率。?
??? HT配置空間中有一個寄存器可以觸發熱啟。熱啟和冷啟的區別在于,熱啟后HT器件的實際帶寬、頻率和寄存器不變,而冷啟后都恢復為默認配置。?
4.2 HT總線的調試?
??? 因為HT總線的信號類型少,所以調試比PCI簡單。首先是測量接口電壓;然后測量PWROK信號和RESET信號的時序,確保滿足規范的要求。如果是非對稱配置,則還需測量不用的CAD信號是否端接正常。發送側不用的信號可以懸空,但接收側必須接地;最后查看配置空間的鏈接寄存器,如果硬件協商成功,則其“初始化完成”位將置1。還可以觸發CRC測試來檢查鏈路是否正常。?
??? 在默認配置的HT總線工作正常后,可以逐步增加帶寬、提高頻率、結合CRC鏈路測試來優化HT總線配置。在調試中除了焊接問題外,經常遇到的問題:一是遺忘對無用CAD信號的端接,二是頻率提不到雙方允許的最大值。后者往往由于差分走線不等長、不平行、阻抗不匹配等高速布線方面的缺陷而引起。?
??? 實時性和低延遲一直是現代通信系統追求的目標,特別是以計算為中心的IMS(IP多媒體子系統)標準對通信設備提出了更高的要求。芯片互連速度直接影響了設備和系統的性能,尤其是基于IP的下一代網絡的質量。目前新涌現出的I/O總線,如HT、PCIe、RapidIO,在相互競爭中不斷發展完善。由于PCI使用廣泛使得這些總線在軟件上兼容PCI是一大優勢(RapidIO在軟件上并不兼容PCI總線),作為新秀中的佼佼者,HT總線為CPU與CPU之間、CPU與外設之間的互連提供了最低的時延和最高的帶寬,并且簡化了系統設計,應用范圍從計算機逐漸向嵌入式系統、電信設備、儀器儀表、汽車電子等領域擴展,具有廣闊的發展前景。?
參考文獻?
[1]?HyperTransport Technology Consortium. HyperTransportTM?I/O link specification revision 3.0. 2006. ?
[2]?ANDERSON D, TRODDEN J. HypertransportTM system?architecture. MindShare, Inc., 2003.?
[3] Broadcom Inc. BCM1480 User’s Manual. 2003.