3.8.2004 - Architektúry PCI zbernice
 I. Úvod
PCI vznikla v konštruk?ných a vývojových dielniach spolo?nosti
Intel ako univerzálna, procesorovo nezávislá, multifunk?ná zbernica. V krátkej
dobe k sebe prilákala vynikajúcou marketingovou politikou spolo?nosti Intel
mnoho ?alších výrobcov a tak v sú?asnosti zahr?uje po?et registrovaných ?lenov
založeného konzorcia PCI-SIG viac ako 900 firiem. Hlavným mottom jeho vzniku
bola snaha pripravi? výkonnú a univerzálnu zbernicu, ktorá by bola oddelená
od FSB základnej dosky a tak umož?ovala hladkú, frekven?ne nezávislú implementáciu
do výkonných PC systémov, ktoré Intel vo svojej dobe pripravoval a kde VL-Bus
a ISA (event. EISA) už boli za zenitom. Dnes je PCI najrozšírenejšia zbernica
pracovných staníc a serverov. Prvá PCI špecifikácia sa objavila v júni roku
1992. Skoro ihne? (30.4.1993) nasledovala prvá revízia (2.0), ktorá definovala
PCI konektor a PCI rozširovacie dosky.
Rozhodujúcou vo vývoji PCI sa stala ale až špecifikácia 2.1 (1.6.1995), ktorá
ako prvá komplexne definovala postavenie ?lenov PCI Bus, pridala 66 MHz protokol
a upravila niektoré diel?ie nedostatky. Dá sa poveda?, že špecifikácia 2.1 je
obsahovo štandardom jednoduchých systémov aj v sú?asnosti (aspo? s oh?adom na
množstvo 33 MHz a 32 bitových kariet), aj ke? bola ešte upravená (intenzívnejšia
podpora 66 MHz protokolu a obmedzenie niektorých liniek) vo verzii 2.2 (uvedená
v roku 1998; iba štvorstránkový dokument inovácií, obe revízie sú si ve?mi podobné)
a v sú?asnosti stále platnej verzii 2.3. Verzia 2.3 už nepodporuje 5 voltové
PCI karty, oficiálna podpora je iba u kariet 3,3 voltových a kombinovaných kariet,
ktoré musia by? samozrejme vybavené oboma k?ú?mi. Na základných doskách je oproti
tomu stále dovolená montáž univerzálnych PCI slotov s 3,3 aj 5 voltovými k?ú?mi.
Z h?adiska prípadného výskumu a vývoja je teda zrejmé, že pä?voltové karty patria
rozhodne minulosti a ich vývoj sa nemôže vyplati?.
Uplatnenie PCI nájdeme pokia? potrebujeme komunikova? medzi periferiami a PC
s najvyššími nárokmi na dátový tok (kde iné univerzálne zbernice a rozhrania
v túto chví?u nesta?ia), požadujeme univerzalitu na opera?nom systéme i okolitom
hardvéri, požadujeme, aby zariadenie bolo použite?né na starších strojoch, rovnako
ako aby malo aspo? krátkodobú víziu využite?nosti. To všetko môže PCI ponúknu?.
II. Dnešné zbernice
Pokia? ide o ich vymenovanie, zoznam by bol dos? dlhý: PCI,
PCI-X, PCI Express, Mini PCI, AGP, UPT, DIV, CNR, ACR, AMR, PIT, PXI, ISA …
a zrejme nie úplný. Posledné dve zbernice patria už nenávratne iba priemyselnej
praxy, z ktorých sa ale v prospech PCI, Mini PCI event. postupne vytrácajú.
Vlastnícko právne vz?ahy a PCI
PCI je otvorená špecifikácia. To je pri pochopení jej využitia
klú?ové. PCI-SIG má registrované ochranné známky loga všetkých svojich "produktov"
a vlastní copyright na uvedené špecifikácie. Vydal dokonce záväzný dokument
o ich využívaní, ktorý by mal slúži? ?lenom ako norma. Niektoré symboly (logá)
boli nahradené novými a doporu?ené delenie pod?a typu špecifikácie. Viac zdroj
?islo 6. Pro vývojárov je PCI-SIG otvorené z h?adiska možnosti nákupu špecifikácie
za odpovedajúce ceny (obvykle okolo 100 - 150 USD), resp. registrácia ako ?len
konzorcia za ro?ný príspevok 3000 USD
III. Popis architektúry v minulosti a sú?asnosti
Pretože má PCI architektúra priamu súvislos? s architektúrou
moderných PC, musíme se najprv pozrie?, ako sa vývoj PCI zbernice (PCI bus)
odrážal v premenách celého hardware PC.
Obr.1
PCI & PC (obr.1): V pôvodných predstavách Intelu, ktoré sa roky realizovali
na všetkých základných doskách PC, bola PCI ozajstnou lokálnou systémovou zbernicou
(local bus) celého PC. Niet divu: zbernica, ktorá už v roku 1995 podporovala
66 MHz protokol pri volitelnej šírke prenosu 32/64 bitov, podporujúca PnP a
naviac procesorovo nezávislá, zrejme na ni? iného ašpirova? ani nemohla. Vysoké
ciele, ktoré si Intel predsavzal, splnila PCI naozaj do bodky, ba ?o viac, pripravila
živnú pôdu pre nebývalý rozkvet chipových sád.
Pôvodný model usporiadania PC s PCI kostrou bol teda založený na kooperácii
PCI s vlastnou systémovou zbernicou procesoru (FSB), kde oddelenie zaiš?oval
PCI mostík, ?o bol jednoduchý PCI-FSB radi?. Napriek tomu pôvodné procesory
(z najznámejších: Intel Pentium, AMD K5 a Cyrix) okolo roku 1995 disponovali
podporou 66 MHz zbernice, bolo oddelenie FSB od PCI nutné z dôvodov jednak,
ktoré vyžadovala PCI architektúra (systémové oddelenie) a jednak konštruktéri
PCI prídavnej periférie (v po?iatkoch bola sila skepsy aj ?o sa týka 66 MHz
FSB na základných doskách). Chipová sada dostala úplne nový rozmer. Pôvodní
intelovský termín PCIset úplne naplnil svoj význam a pevne rozdelil chipovú
sadu obvodov do dvoch striktne definovaných ?astí: tzv. northbridge a southbridge,
ktoré nieko?ko rokov (aj dnes) predstavujú základy architektúry PC.
Northbridge
(volne preložené "severný most") mal zaiš?ova? komunikáciu procesora
s periferiami, prístup do fyzickej pamäti a komunikáciu s grafickou kartou -
všeobecne teda so systémovo nejnáro?n?jšími prostriedkami a prostredníctvom
PCI bus so southbridge.
Southbridge
("južný most") bol prostredníctvom PCI previazaný s northbridge a
zaiš?oval celú komunikáciu s perifériami, ktorá nebola previazaná s PCI. Prostredníctvom
PCI/ISA radi?u tzv. super I/O (integrovaný nástupca pôvodných radi?ov floppy-FDC,
COM-UART, LPT-PIO, klávesnice-KBC at?.), BIOS, zvukový subsystém a samozrejme
ISA sloty, pretože tie boli v roku 1995 ?asto osadzované. Southbridge ale obsahoval
aj rozhranie IDE, teda pre pripojenie HDD a iných ATAPI zariadení.
Z poh?adu PCI systému je celá záležitost významná, pretože umož?uje presne definova?,
ktorý z oboch obvodov chipovej sady je tzv. arbiter, alebo supermaster celej
PCI zbernice. Je ním northbridge, aj ke? o southbridge by sa dalo tvrdi? nie?o
podobné.
Obr.2
Chipová sada MVP3 (obr.2) od spolo?nosti VIA Technologies nadviazala na predchádzajúcu
VPX, VP2 a VP3, modernizáciou prešiel northbridge, pretože sa práve do neho
najviac premietali neúprosné požiadavky na zrýchlenie FSB. Pre variant desktop
bola vyvinutá kombinácia VT82C598AT a southbridge VT82C586B. Northbridge podporoval
oddelené napájanie PCI, ktoré bolo pokrokovo založené na 3,3 voltové logike
s nevyhnutnou dodato?nou podporou 5 V logiky (PCI 2.1). Z h?adiska PCI je dálej
dôležitá plná podpora 32 bitového režimu v PCI 2.1 (33 MHz), 66 MHz protokol
bol vyhradený pre sekundárne PCI rozhranie (event. PCI-PCI mostík, jedno zariadenie),
ktoré se ale nerealizovalo, bolo použité iba na grafické rozhranie zbernice
AGP.
PCI architektúra obmedzuje po?et master zariadení na zbernici, ke? je po?et
prekro?ený, je potrebné h?ada? alternatívne riešenie typu PCI-PCI mostík a takto
vytvorené sekundárne PCI zbernice. Po?et master PCI zariadení bol omedzený interným
radi?om na pä? (zrejme na žiadnych bežných motherboardoch tento po?et nikdy
nebol nevyužitý). Obvod pracoval v nieko?kých režimoch pod?a synchronizácie
medzi PCI/AGP/FSB. Pre FSB 75 a 83 MHz dokonca ponúkal pseudosynchrónny režim
PCI na 30, resp. 33 MHz v?aka delite?ovi 2,5x. Ve?mi prepracovaný už bol systém
spolupráce PCI bus s pamä?ou.
Obr.3
Chipová sada BX, presnejšie BX440, od Intelu vznikla o nie?o skoršie ako MVP3
od VIA, ale koncep?ne si zodpovedajú. Northbridge 82443BX opä? obsahoval primárny
32 bitový PCI bus interface s integrovaným arbitrom zbernice (supermaster),
zhodnú podporu 3,3 voltovej PCI logiky (2.1) s nezávislým napájaním a rovnako
ako v predchádzajúcom prípade podporoval pä? zariadení master.
Obr.4
U výrobcov novších chipových sád sa northbridge-PCI-southbridge technológia
držala (a drží) napríklad u spolo?nosti AMD (obr 3,4). Dôvodom je vysoká priepustnos?
PCI zbernice v prevedení 64 bitov - 66 MHz. Problémom je ale implementácia tohoto
rozhrania. Chipová sada AMD760 zložená z northbridge AMD761 a southbridge AMD766,
napriek tomu, že FSB pracoval v móde double-rate 2x133 MHz, bola stále prepojena
pôvodným 32 bitovým 33 MHz PCI bus (PCI 2.2), ?o sa samozrejme na výkone periférie
muselo prejavi? negatívne. Plnú podporu 66 MHz a 64 bitovej PCI primary bus
mala až sada s northbridge AMD762, ale využilo ju až v prípade southbridge typu
AMD768 (chipová sada pre dvojprocesorové serverové systémy AMD-760MPX; AMD-760MP
je založená na southbridge AMD766), pôvodné spojenie so southbridge AMD766 obsahovalo
samozrejme starší 32 bitový 33 MHz PCI primary bus. Celá technológia AMD-760MPX
umož?uje zaradi? až devä? PCI master do systému, z toho maximálne 2 zariadenia
master 66 MHz šírky 64 bitov na northbridge, tj. iba dva sloty PCI 2.2 66 MHz
- 64 bitov, plus pod?a potreby do siedmych 33 MHz 32 bitových PCI masterov na
southbridge. Bloková schéma obvodovej synchronizácie, PCI hierarchie a usporiadania
chipsetov AMD760 i AMD-760MPX (760MP) je na uvedených schémach.
Obr.5
Vývoj sa ale nezastavil a nové požiadavky sebavedomú koncepciu northbridge-PCI-southbridge
nabúrali (obr.5,6). Dôvodom bolo: na jednej strane silnejúca potreba vä?šieho
po?tu nezávislých PCI master zariadení na zbernici (zjednodušene: nedostatok
PCI slotov a oproti tomu existujúcí opera?ní systém, ktorý podporoval viac prídavných
PCI kariet - Windows 2000) a ?álej predovšetkým stále priepastnejší rozdiel
medzi frekvenciami hodinového kmito?tu PCI bus a FSB, inými dátový slovami uzol
medzi southbridge a northbridge. Situáciua sa vyhrotila v rokoch 1999 a 2000,
kedy nejvä?ší výrobcovia chipových sád, konkrétne VIA, Intel a SiS, nezávisle
predstavili nové riešenia propojenia southbridge a northbridge. Pochopite?ne,
každý z výrobcov zvolil inú stratégiu pod?a vlastnej vízie potreby priepustnosti
chipsetu základnej dosky a tak sa PCI prvý krát od svojho vzniku odsunula do
pozadia riadiacej zbernice moderného PC.
Obr.6
Intelovské sady tým zmenili nielen funkciu, ale aj názov. Northbridge tejto
novej koncepcie tzv. IHA (Intel HUB Architecture, alebo HUB-Link) bol nazvaný
MCH (GMCH, Graphics Memory Controler HUB) a southbridge oproti tomu ICH (I/O
Controler HUB). Oba obvody sú spojené IHA s priepustnos?ou až 266 MBps. Najstaršou
chipovou sadou, založenou na tejto technológii je síce i810, populárnejšia však
bola chipová sada i815 (MCH: 82815, ICH: 82801 alebo ICH2: 82801BA). ICH2 podporuje
už šes? zariadení master PCI 2.2 na 33 MHz PCI bus, AGP už nie je viazaný (je
na MCH), preto je možnos? využitia PCI-PCI mostíka a realizova? 66 MHz PCI sloty.
Chipová sada obsahuje mnohé vylepšenia z h?adiska správy napájenia, ale napríklad
je aj výborne dokumentovaná (skoro 500 strán iba pre ICH2). ICH2 sa týka sérií
i810, i815, i850 a samozrejme i845 s výnimkou modifikácií i845E a G, ktoré obsahujú
už ICH4.
Ani to však nesta?í a tak sa h?adali dalšie riešenia. Ve?ký podiel na tom má
rozvinutá technológia Hypertransport, ?álej ve?mi hektická príprava zavedenia
64 bitových procesorov, konkrétne Xeon na strane Intelu a o?akávaného Clew alebo
SledgeHammer u AMD, rovnako ako intenzívne prípravy na masový prechod na PCI-X
systémy. PCI-X špecifikácia prináša zaujímavý fenomén: zdvojenie po?tu slotov
na segment zbernice (príklad: zatia? ?o po?et slotov PCI 2.2 66 MHz / 64 bitov
môže by? na segmente - teda rozhraní radi?a - maximálne dva, v prípade PCI-X
66 MHz / 64 bitov naproti tomu štyri). Nástupca ICH2, ICH4, neobsahuje z h?adiska
PCI ni? výnimo?ného. Pro serverové aplikácie ale Intel vyvinul chipové sady
s E7500. Sám ICH3-S tejto sady nemá z h?adiska PCI žiadny ve?ký alebo dokonca
prevratný význam (podporuje šes? PCI 2.2 slotov šírky 32 bitov), avšak ICH3
sa kombinuje s MCH typu M7500, ktorý obsahuje interface k P64H2 (82870P2), ?o
je 16 bitový PCI HUB. A to je kvalitatívne celkom nový prvok v technológiách
Intel. Každý z PCI HUBov môže obsluhova? na segmente štyri sekundárne PCI bus
typu PCI 2.2 (33 MHz) alebo štyri PCI-X 1.0 (66 MHz, zdvojenie) v prvom prípade
v 32 bitovom v druhom 64 bitovom prevedení.
Obr.7
Zaujímavá je aritmetika daného usporiadania segmentu: jeden PCI HUB môže obsluhova?
na jednom z oboch segmentov štyri 33 MHz 32 bitové PCI (PCI 2.2), dve 66 MHz
32 bitové PCI (PCI 2.2), štyri 66 MHz samozrejme 64 bitové PCI-X alebo dve PCI-X
100 MHz a pre najnáro?n?jšie systémy jeden PCI-X 133 MHz typu. Budúce systémy
teda budú obsahova? (okrem 6 PCI slotov z ICH) obvykle osem PCI 2.2 slotov (obojstranne
zaplnený prvý PCI HUB; 33 MHz, 32 bitov; 2 segmenty po 4 slotoch), pre stredne
náro?né systémy naj?astejšie kombináciu štyroch 66 MHz PCI-X a dvoch 100 MHz
PCI-X slotov (druhý zaplnený PCI HUB) a dva PCI-X 133 MHz sloty pre extrémne
náro?né aplikácie (priepustnos? nad 1 GBps). Chipová sada Intel E8870 môže dokonca
podporova? až štyri PCI HUBy P64H2, po?et PCI slotov sa tak ešte zvyšuje. PCI
HUBy už podporujú HotPlug a špecifické APIC. Tým, ako je zrejmé, sa uzaviera
historická paralela a PCI se spä? s?ahuje do northbridge (obr.7).
Podobne spolo?nos? SiS predstavila svoj poh?ad na riešenie architektúrou MuTIOL,
ktorá priepustnos? medzi chipmi zvýšila až na 533 - 1,2 GBps. Parazitné javy
na základnej doske takéhoto vedenia vyriešila po svojom, oba bridge zaintegrovala
do jedného obvodu, ?ím pojem chipová sada skoro stratil zmysel. Prvý obvod tohoto
typu bol SiS635, popularitu si získal ale až SiS735. Obe sady umož?ujú spravova?
až 6 PCI master zariadení, teda z h?adiska PCI, okrem vyššej integrácie, neprináša
vôbec ni? nové. Analogický je SiS745. SiS ale túto koncepciu "two in one"
opustila a spä? sa s neintegrovaným MuTIOL vrátila k osved?enému modelu northbridge-southbridge,
pochopite?ne tu northbridge-MuTIOL-southbridge. Sady southbridge SiS961, 962,
963 se líšia iba rýchlos?ou MuTIOL a podporou periférie, šes? master PCI zostává
štandardom. Ani VIA nezostala pozadu a svoj V-Link (maximálna priepustnos? 533
MBps, obvyklá 266 MBps) sa vyhúpla na výslnie predovšetkým dodávate?om chipových
sád pre procesory Athlon. Ani tu sa z h?adiska PCI nestala nejaká prevratná
zmena. Sama VIA ale h?adá alternatívne cesty najmä pre budúcnos? a tak predstavila
pre high top systémy systém HDIT, podporujúce rovnako serverové chipové sady
od Intel (E7500 a E8870) HDIT-PCI-X expandéry. Tie sú?asne s AGP slotom ležia
na zbernici prepojené s northbridge, teda aj tu je badate?ný návrat k pôvodnej
koncepcii.
nVidia vo svojich dvoch chipových sadách nVidia nForce a nForce2 využíva zbernice
Hypertransport (s maximálnou priepustnos?ou 800 MBps). Pre northbridge prijala
ozna?enie IGP/SPP (pod?a toho ?i je alebo nie je integrované grafické jadro),
pro southbridge ve?mi prízna?ne MCP (Media & Communication Processor). Hypertransport
má vlastný systém pripojenia PCI zbernice, ktorý bude plne ocenený až príchodom
64 bitových procesorov do reálnej praxe.
Obr.8
A ako to bude s PCI architektúrou vyzera? v budúcnosti ? S príchodom 64 bitových
procesorov prepukne éra 64 bitových PCI prídavných kariet a 32 bitové systémy
budú trpené iba na dožitie.
Zaujímavo vyzerajú schémy chipových sád pre oba AMD Hammery. Kombinácie hypertransport
a PCI-X tunel, v blízkej budúcnosti zjavne doplnia kombinované Express sloty
pre sériovo-paralelné rozhranie (obr.8).
Ved?a primárnej PCI zbernice a primárnych PCI slotov, môže by? na zbernici vytvorená
aj sekundárna PCI zbernica a hierarchicky až nieko?ko nižších PCI zberníc s,
bohužia?, obmedzeným po?tom PCI segmentov (tzv. pravidlo 4 + 1). K realizácii
sa používa PCI-PCI mostík. Táto technológia má vlastnú špecifikáciu, slúži tiež
k vývoju ve?mi zajuímavých a lacných PCI kariet s integrovanými rozhraniami
(napr. FireWire) a 1-4 PCI sekundárnymi slotmi. Jedny z popredných výrobcov
PCI-PCI mostíkov pre tieto PCI karty sú už roky spolo?nosti Intel a Texas Instruments.
V tomto smere je ale PCI-X koncep?ne ?álej a umož?uje až 256 PCI-X nezávislých
PCI-X segmentov na jednom PCI-X HUBe.
IV. Záver
V tejto práci som sa pokúsil prinies? preh?a najdôležitejších
zmien v architektúre PCI zbernice za posledné roky.
?ažko odhadnú? kam smeruje vývoj zberníc pre prídavné karty a jedno i viacú?elové
užívate?ské prídavné zariadenia. Blízka budúcnos? zrejme bude v PC a serveroch
stále patri? PCI kartám a moderným kartám ACR alebo CNR. PCI zbernica ale isto
nepovedala posledné slovo, dôkazom sú špecifikácie PCI-X vo verzii 1.0 a revízii
2.0, ktorá ?aleko predstihuje možnosti dostupných prídavných zariadení s výnimkou
UltraSCSI-160 a ultrarychlých sie?ových aplikací, kde tiež nájde svoje prvotné
uplatnenie. Pre PCI hovorí aj fakt, že zatia? udržuje až na výnimku spätnú kompatibilitu
so všetkými typmi starších PCI kariet, ?o je ve?mi úctihodné – hlavne prihliadnúc
na skuto?nos?, akými zmenami svet hardware za posledných desa? rokov prešiel.
Na druhej strane v réžii PCI-SIG bola ohlásená nová univerzálna point-to-point
sériová zbernica PCI Express (3GPIO, AWG), ktorá znásobí prenosové rýchlosti
a výrazne zjednoduší, zmenší a celkovo zefektívni hardware. Je oprávnené domnieva?
sa, že budúcnos? PCI v tomto paralelnom prevedení nie je v horizonte roka ?i
dvoch až tak jednozna?ná. PCI Express naviac ponúka mnoho vylepšení, na ktoré
sú?asná paralelná koncepcia jednoducho nesta?í: napríklad využitie switchov,
multilinkov (násobných kanálov pre najvyššie dátové toky), miniaturizáciu základných
dosiek, integráciu kariet do jedného typu (zmizne napríklad rozdiel medzi AGP
a PCI), priamu podporu SATA v chipové sade at?. Taktiež externé propojenie káblami
bude jednoduchšie. Koncepcia PCI Express vyšla z PCI, preto k jej pochopeniu
je potrebné pozna? princípy softwarovej obsluhy zbernice a prítomných ?lenov.
V. Použité zdroje
1. http://www.pcisig.com/
2. http://www.via.com/
3. http://www.intel.com/
4. http://www.amd.com/
5. http://www.sis.com/
6. http://www.adaptec.com/worldwide/product/markeditorial.html
7. http://support.intel.com/support/chipsets/PC1001.HTM
8. J.Stoddard, A.Goodrum: www.ednmag.com, EDN (August 30, 2001), 85
9. F.Franc: www.ednmag.com, EDN (January 6, 2000), 61
10. G.Lakkas, B.Duduman: www.ednmag.com, EDN (September 20, 2001
11. http://www.pcisig.com
12. http://www.pcisig.com/specifications/conventional_pci_23
13. http://www.pcisig.com/specifications/conventional_pci_30
14. http://www.bezstarosti.cz
15. dokument 3gio_marketing_brief.pdf dostupný na www.pcisig.com
späť |
