O技术PCI+Express分析

第30卷第12期

计算机工程

2004年6月

场£3口

№12

ComputerEngineering

June2004

发展趋势,热点技术

文章■号t

1000--3428(2004)12—moo岳珈2

文t标识码t

中田分类号t

TP336

高性能计算机I/O技术PCIExpress分析

绦君孵,曩先登,王海卫。黄精

(华中科技大学外存储系统国家专业实验室.武汉4300741

l蔓:分析了PCI,PCI.x架构I/O瓶颈,然后深入阐述第三代I,o技术PCIExpress的特性及其体系结构,最后指出PCIExpress作为!nfiniBandⅢ的重要补充必将在未来计算机I/(3体系结构中扮演举足轻重的角色。

关t两:PCIExpress;PCI/PCI.X;高性能计算机I/O;InfiniBand;总线技术

AnalysisofHighPerformanceComputerI/OTechnologyPCIExpress

XUJunming,Pei

Xiandeng,WANG

Haiwei。HUANGHRO

(NmionalStoragesystemLab.HuazhongUniversityofSei&Tech.Wuhan430074)

lAbstractlThispaPOrfirstlyanalysestheboaleneckofPCI/PCI—XinComputerI/Oarchitecture,andthenexpatiates

on

thecharacteristicand

architectureofthirdgenerationI/Oteehnology’PCIExpress;finally,pointsoutthatthePCIExp陀ssasanimpoaantcomplementarityofInfiniBand?will

intofullplayinfuturecomputerI/Oarchitecture

IKeywordslPCIExpress;PCUPCI-X;Highperfoif/lancecomputerI/O;InfiniBand;Bustochnolcgy

1概述

2.1

PCI槊构的先天缺陷

所谓计算机总线,就是连接计算机各个功能部件的公共PCI-X133的带宽只有1066GB/s,虽然PCI—SIG最新公布的PCI—X266、PCI一X533的带宽峰值分别可达2128GB/s和4264GB/s,但是这没有从根本上(可以说也不可能)缓解服务司1991年提出PCI(PerpheralComponentIntereonnet)技术以器端的I/O带宽瓶颈。PCI架构本身固有缺陷决定了这种状况。PCI架构的总线固有缺陷主要包括以下几点:

从体系结构上讲,计算机总线可以分为系统内存总线和(I)箱内可扩展性很差且不支持箱外扩展:PCI的扩展主要通过两种方式来实现,要么通过增加同层PCI总线(PcI本身就是一种层次结构I/O技术),要么通过增加PC|-to PCI的公共通道。系统内存总线与主机I/O总线通过某种形式的桥。前者主要通过在主板上集成额9FHosl.to-PCI总线芯片以及增加PCI连接器来实现,而后者主要通过在主板上增加

PCI一to-PCI桥接芯片来实现。无论采用什么方式来扩展PCI架构的I/O总线,其代价都是比较高昂的;

(2)单点故障问题严重:任何单个I/O连接点的错误都可能导致整个系统的崩溃,然而很难采用某种策略来隔离或者

避免这种致命错误的产生——对服务器领域来说,这是致

命的;

(3)系统整体I/O吞吐量较低:这种基于共享总线的I/O结构中,所有通信共享单一总线带宽,由此就造成外设越多,可用带宽就越少,从而带来更为严重的系统I/o瓶颈。不仅如此,在基于共享并行I/0的总线上,大量的引脚数目也带来了一定的电气特性和机械特性等问题,使得PCB空间、信号频率以及信号可传输距离都受到很大程度的制约。

2.2

PCI架构昀速率瓶颈

PCI架构

PCI

Express架构

企业级服务器应用领域覆盖了集群系统、网格计算、网圈I

PCI集栩与PCI

ExpressJl啪

络存储等诸多领域。在这种背景下,PCI-X的IGB/s带宽的PCI架构的I/0瓶颈分析

局限性便暴露出来。伴随着lnfiniBand川体系结构IBAPCI总线自20世纪90年代以来。PCI总线经历了从32biff

(InfiniBandⅢArchitecture)的投入应用,PCI-x的带宽局限日

趋严重。

作者蕾介:徐君明(1978一),男,顽士生,主研方向为高性能计算机I/O、嵌入式系统和网络存储;裴先登,前苏联副博士、教授、博导;王海卫、黄浩,博士收着H翔:2003—07-17E-mail:hustxjm@263

net

万 

方数据call通道。计算机总线的技术特性,决定了计算机I/O处理能力,进而决定了计算机的整体性能以及应用环境。自Intel公来,这项局部总线技术已维持了十多年。

主机I/O总线。前者是中央处理器CPU、高速缓存Cache以及主存的公共通道,而后者则是速度相对较慢的各种I/0设备桥连接起来。这是当今计算机I/O的基本架构。这种基本架构从图l可以看出。

33MHz到64b/133MHz的转变,目前PCI—X技术将总线提升到266MHz甚至更高的频率。这种技术的演变给人的感觉好像是PCI架构的I/O技术仍有着很强的生命力。这个观点在桌面系统中目前来讲还是成立的,但是在高端服务器领域——无论在目前还是将来——情况绝非如此。

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