Вступ до архітектури PCIe
Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) — це високошвидкісна серійна шина розширення комп'ютера, розроблена для заміни старіших паралельних стандартів шини, таких як PCI та PCI-X. Вона є основою для багатьох високопродуктивних компонентів сучасних обчислювальних систем. Архітектура PCIe характеризується топологією точка-точка, масштабованими лініями і підтримкою високих швидкостей передачі даних. Основні елементи PCIe включають root complex (корінь комплексу), endpoints (кінцеві точки), legacy endpoints (старі кінцеві точки) та switches (перемикачі). Ця стаття надає детальне розуміння цих компонентів, їхніх функцій і ролей у екосистемі PCIe.
1. Root Complex
Root complex (корінь комплексу, RC) служить центральним вузлом в ієрархії PCIe, з'єднуючи CPU та підсистему пам'яті з пристроями PCIe.
Характеристики:
- Міст між процесором і PCIe: Root complex виступає як міст між процесором і пристроями PCIe, полегшуючи комунікацію через пакетні транзакції.
- Корінь ієрархії: Це точка початку топології PCIe, що утворює корінь деревоподібної структури, яка з'єднується з різними кінцевими точками та перемикачами.
- Майстер налаштування: Root complex відповідає за перерахування та налаштування всіх підключених пристроїв PCIe, призначаючи ресурси, такі як пам'ять і простори адрес для вводу/виводу.
- Інтеграція: У сучасних системах root complex часто інтегрований безпосередньо в CPU або чіпсет для зменшення затримок і підвищення продуктивності.
Функції:
- Призначення адрес: Під час процесу перерахунку root complex призначає унікальні діапазони адрес пам'яті та вводу/виводу всім підключеним пристроям, гарантуючи відсутність конфліктів ресурсів.
- Управління перериваннями: Він керує сигналами переривань, які генеруються пристроями PCIe, і пересилає їх до процесора за допомогою таких механізмів, як MSI (Message Signaled Interrupts) або MSI-X.
- Маршрутизація даних: Направляє пакети даних між пам'яттю, CPU та кінцевими точками відповідно до протоколу PCIe.
- Управління енергоспоживанням: Важлива роль у керуванні станами живлення підключених пристроїв для оптимізації споживання енергії. Це включає в себе перехід пристроїв між активним, очікуючим і сплячим режимами.
- Підтримка гарячої підключення: Root complex забезпечує підтримку для додавання або видалення пристроїв динамічно без необхідності перезавантаження системи, що є важливим для серверів і вбудованих систем.
Перспектива рівнів PCIe:
- Рівень транзакцій: Ініціює і обробляє пакети транзакцій (TLPs) для запитів до пам'яті, вводу/виводу та конфігурації.
- Рівень каналу передачі даних: Забезпечує надійну передачу даних через контроль потоку та виявлення помилок.
- Фізичний рівень: Взаємодіє з електричними та механічними аспектами ліній PCIe, передаючи та приймаючи послідовні потоки даних.
Розширені функції:
- QoS (Quality of Service - Якість обслуговування): Деякі root complexes підтримують пріоритезацію трафіку для забезпечення більшого пропускного здатності для критичних за часом даних.
2. - Звітність про помилки та їх обробка: Включає механізми для виявлення, реєстрації та відновлення від помилок, таких як неправильно сформовані пакети або збої ліній.
- Підтримка віртуалізації: Розширені root complexes можуть створювати віртуальні пристрої PCIe, що дозволяє кільком операційним системам ефективно ділити один апаратний ресурс.
Приклад:
У сучасних обчислювальних системах root complex зазвичай інтегрований у CPU або чіпсет. Прикладом є:
- Intel Platform Controller Hub (PCH): Виконує роль root complex у системах на базі Intel, керуючи лініями PCIe та іншими функціями вводу/виводу.
- AMD System-on-Chip (SoC): Об'єднує функціональність CPU та root complex в одному чіпі для вбудованих та високопродуктивних систем.
2. Точки доступу (Endpoints)
Точки доступу - це пристрої PCIe, які виконують специфічні завдання, такі як рендеринг графіки, зберігання даних або мережеве спілкування.
Вони є кінцевими вузлами в топології PCIe і не можуть передавати трафік іншим пристроям.
Приклади точок доступу (Endpoints):
- Графічні карти (GPU): Використовуються для рендерингу та обчислювальних завдань.
- Твердотільні накопичувачі (SSD): Забезпечують рішення для швидкого зберігання даних.
- Мережеві карти (NIC): Сприяють мережевому спілкуванню.
- Карти захоплення: Дозволяють обробку відео- та аудіовхідних сигналів.
Характеристики:
- Кінцеві вузли: Як точки доступу, ці пристрої завершують шлях комунікації PCIe.
- Ініціатори та цілі: Точки доступу можуть як ініціювати транзакції (наприклад, запити на читання або запис), так і відповідати на транзакції, ініційовані іншими пристроями або root complex.
- Масштабована продуктивність: Кількість ліній (x1, x4, x8, x16) визначає пропускну здатність, доступну для точки доступу.
Перспектива рівня PCIe:
- Рівень транзакцій: Точки доступу генерують та інтерпретують пакети рівня транзакцій (TLP), виходячи з вимог на рівні додатка.
- Рівень каналу передачі даних: Обробляє підтвердження (ACK/NACK) та повторні передачі для забезпечення надійної комунікації з root complex або перемикачами.
- Фізичний рівень: Керує електричним сигналізуванням та конфігурацією ліній, забезпечуючи належну комунікацію з іншими компонентами PCIe.
Функції:
- Обробка даних: Точки доступу виконують специфічні завдання та передають результати назад до root complex або інших пристроїв.
- Генерація переривань: Пристрої сигналізують root complex про необхідність уваги через переривання, часто використовуючи механізми MSI (Message Signaled Interrupts) або MSI-X.
- DMA (Прямий доступ до пам'яті): Багато точок доступу підтримують DMA для безпосереднього перенесення даних до та з системної пам'яті без залучення CPU.
- Перехід між станами енергоспоживання: Точки доступу можуть переходити між різними станами енергоспоживання (наприклад, L0, L1, L2) для підвищення енергоефективності.
Розширені функції:
1.
Багатофункціональні пристрої: Деякі точки доступу можуть пропонувати кілька функцій (наприклад, мережеві карти з підтримкою як Ethernet, так і Wi-Fi).
2. Віртуальні функції (VF): Підтримуються в SR-IOV (Single Root I/O Virtualization), що дозволяє ефективно ділити ресурси між віртуальними машинами.
3. Старі точки доступу (Legacy Endpoints)
Старі точки доступу — це пристрої PCIe, які зберігають сумісність зі старішими стандартами PCI або PCI-X.
Вони призначені для того, щоб з'єднувати сучасні системи PCIe з застарілим апаратним забезпеченням або програмним середовищем.
Характеристики:
- Зворотна сумісність: Старі точки доступу імітують пристрої старих стандартів PCI, що забезпечує їх безперебійне функціонування в системах, розроблених для PCIe.
- Підтримка переривань: Вони можуть використовувати старі методи сигналізації переривань, такі як INTx, замість сучасних MSI або MSI-X.
- Реалізація моста: Деякі старі точки доступу включають логіку моста для взаємодії зі старими пристроями PCI.
Функції:
- Емуляція: Старі точки доступу надають інтерфейс, сумісний з PCI, що дозволяє старим операційним системам і драйверам розпізнавати та використовувати їх.
- Механізми конфігурації: Вони підтримують старі механізми конфігурації, забезпечуючи сумісність з програмним забезпеченням минулих поколінь.
Обмеження:
- Старі точки доступу обмежені в продуктивності порівняно з рідними пристроями PCIe, оскільки вони працюють в межах обмежень старих стандартів PCI.
Приклади:
- Адаптери для старих периферійних пристроїв PCI.
- Рішення для сумісності з промисловими або вбудованими системами, які залежать від старих пристроїв.
4.
Перемикачі
Перемикачі розширюють топологію PCIe, дозволяючи підключити кілька пристроїв до одного порту кореневого комплексу. Вони дозволяють будувати складні PCIe мережі з кількома точками доступу.
Характеристики:
- Маршрутизація пакетів: Перемикачі маршрутизують пакети PCIe між своїми портами на основі адреси призначення.
- Підключення кількох пристроїв: Вони дозволяють кільком пристроям спільно використовувати одне з'єднання з кореневим комплексом, оптимізуючи ресурси системи.
- Ізоляція: Деякі перемикачі забезпечують ізоляцію між пристроями за допомогою непрозорого моста.
Функції:
- Управління трафіком: Перемикачі керують трафіком між пристроями, забезпечуючи ефективну комунікацію.
- Переклад адрес: Вони виконують переклад адрес та маршрутизацію для підключених пристроїв.
3.
Терпимість до помилок: Деякі просунуті перемикачі підтримують функції, такі як гаряча заміна (hot-plugging) та механізми резервування (failover).
Типи перемикачів:
- Прозорі перемикачі: Пристрої, підключені через ці перемикачі, з'являються в тій самій PCIe топології, спільно використовуючи загальний простір адрес.
- Непрозорі перемикачі (NTS): Використовуються в конфігураціях з кількома хостами, де потрібні окремі PCIe домени.
Варіанти використання:
- Центри обробки даних: Перемикачі дозволяють масштабувати систему, підключаючи кілька пристроїв зберігання або обчислювальних пристроїв до обмеженої кількості портів кореневого комплексу.
- Високопродуктивні обчислення (HPC): Вони забезпечують безпосередню комунікацію між GPU або акселераторами.
- Вбудовані системи: Забезпечують гнучке підключення в компактних рішеннях.
Підсумок компонентів PCIe
| Компонент | Роль | Приклади/Застосування |
|--------------------|-----------------------------------------------------------------|-------------------------------------------------------|
| Root Complex | Інтерфейс між процесором і пам'яттю та PCIe середовищем | Чипсет, інтегрований у сучасні процесори |
| Endpoints | Виконують конкретні функції на межі топології PCIe | GPU, NIC, SSD |
| Legacy Endpoints| Забезпечують зворотну сумісність з PCI/PCI-X стандартами | Рідко зустрічаються в сучасних системах |
| Switches | Розширюють підключення PCIe та дозволяють налаштування з кількома пристроями | Центри обробки даних, високопродуктивні обчислювальні налаштування |
Розширене розуміння:
1.
Проектування топології PCIe: Розуміння того, як кореневі комплекси (root complex), кінцеві пристрої (endpoints) та перемикачі (switches) взаємопов'язані, може допомогти оптимізувати продуктивність у системах з кількома пристроями.
2. Лінії PCIe: Кількість ліній (наприклад, x1, x4, x8, x16) визначає доступну пропускну здатність для пристроїв, причому більше ліній забезпечує вищу швидкість передачі даних.
3. Підтримка гарячої заміни (Hot-Plugging): PCIe підтримує гарячу заміну, що дозволяє додавати або видаляти пристрої без вимикання системи.
4. Обробка помилок: PCIe включає потужні механізми виявлення та корекції помилок, такі як CRC (Cyclic Redundancy Check) та автоматичне повторне спробування (Automatic Retry).
Висновок
Гнучкість і масштабованість архітектури PCIe випливають з її основних компонентів: кореневого комплексу (root complex), кінцевих пристроїв (endpoints), застарілих кінцевих пристроїв (legacy endpoints) та перемикачів (switches). Кожен з них виконує певну роль у створенні узгодженої системи для високошвидкісної комунікації. Розуміючи ці елементи детально, розробники систем і інженери можуть приймати обґрунтовані рішення для побудови ефективних, високопродуктивних обчислювальних систем.
Перекладено з: Understanding Legacy Endpoints, Root Complex, Endpoints, and Switches in PCIe