PCI Express总线通信领域争夺角色

技术分类: 通信  | 2007-01-10
Richard A Quinnell,EDN特约技术编辑

  可升级的性能与低成本使 PCI Express 吸引了通信设备的设计者,这种技术正在挑战专有总线结构。
  要 点
  PCIe (PCI Express) 用交换式串行总线代替了 PC 中的并行 PCI 总线,并提供软件兼容性。
  这种 PC 硬件的成本与可用性使它对其它应用也极具吸引力。
  PCIe可升级的带宽特性使其具备了适合通信系统需求的原始性能。
  PCIe 只允许使用单个主处理器,因此难于实现冗余和高可靠性设计。


  取代 PCI 成为通用计算机中外设总线的PCIe(PCI Express),现在正在通信领域寻找自己的地位。它为通信提供的原始性能,与今天常见的专有总线相比,有着显著的成本优势。但与 PC 的既有联系可能会限制它在通信领域的成功,除非支持者可以解决它架构上的一些重要缺陷。

  自从面市几十年来,IBM PC 仍然具备遍及整个电子业的波动效应。PC 非常大众化,因而生产批量大,使面向 PC 的技术既廉价又易于普及。而这些优势反过来又使它具备了对其它许多应用的吸引力。PC 的总线结构造就了很多衍生物,如 PC/104、PXI 和 CompactPCI,这样
,非 PC 应用也可以使用 PC 处理器、外设和软件。

  PCIe 是 PC 外设总线结构在其它应用中寻找自己地位的最新版本。与早期 PCI 和 AT 总线一样,PCIe 正在引起人们的兴趣,因为嵌入计算开发人员也可以通过它使用经过验证的、功能强大、成本低且随处可得的起源于台式计算的技术。但与以前总线不同,PCIe 提供与处理器相适应的性能水平,这种性能水平还有提高的空间。同时,PCIe 还保持与 PCI 总线的软件兼容性,仍保留了前代 PC 技术拥有的成本优势(见附文“PCI Express 基础”)。

  这种高性能与低成本的结合引起了通信业的注意。过去,通信业开发者都是采用专有的总线结构来实现最高的性能需求,但成本与产品面市的时间压力使专有方案越来越缺乏吸引力。

  然而,PCIe 尚未确定在通信市场中的落脚点。通信设备的需求范围很广,在网络层次中的位置多变不定,这种层次跨越各种不同控制与数据处理需求级别(图 1)。

根据设备工作的不同级别,面向通信市场的设备对总线的需求以及 PCI Express 的适用性也各不相同

  多变的需求

  传输层位于高数据速率一端。该层通过大容量通道提供长距离的数据传输。静态配置的传输层设备不会与被传输的数据产生明显的互动作用。因此,这些设备并不是 PCIe 的最佳候选者。当数据在核心层处理时,设备开始能感知数据,不过它们与数据的交互仍有局限性。核心设备依照数据在较低层中增加了标记和标签,排列功能的优先次序。一般情况下,核心设备使用一种将数据控制从数据处理中分离出来的结构。控制层面用于表的管理,这些表控制着在系统中路由数据的数据层面。PCIe 可以在核心层设备的控制层面承担一个角色,而数据层面则倾向于采用专有总线结构与协议,以尽量减小数据包的路由开销,实现最高的带宽效率。

  高端边缘层设备通常也有类似的结构,但它有较低的性能需求,并且数据交互量比核心设备更大。这些层面的设备提供能感知QoS(服务质量)的强制执行和流量管理。较低端边缘设备通常是聚集型节点,有助于维持进出高端边缘设备的均衡流量,实现边缘带宽利用率的最大化。在这一层面上,PCIe 的性能开始能够更清晰地符合控制与数据层面的要求。

  但是,最好的匹配出现在接入层面,用户在这个层面上通过服务提供商连接网络。在此层面,由于接入层面必须在与终端用户交互时处理不同协议,如数据、语音和多媒体,因此它的需求也有差异。另外,物理因素(如到用户的距离)也会影响需求。这类设备的设计在端口数量、节点能力以及冗余策略方面都显示出很大的差异。设计者可以有多种可用于自己设计的结构选项,包括独立的控制层面、数据层面及合并流量。

  在使用独立的控制层面和数据层面时,通信设备有两组总线需求。控制层面负责处理对控制寄存器与计数器的访问,以及数据块的进、出表内存动作。这种状况意味着总线流量一般会在中央管理 CPU 和各个数据处理节点之间流动。这种流量形式非常匹配内存映像的寻址结构,这正是 PCIe 从 PC 中继承的结构。因此,PCIe 是在通信设备中使用控制层面总线的有力候选者。同样,PCIe 也适合控制与数据聚合层面的需求。它的高性能可支持需要的数据速率,并且其结构也能很好地映像到控制层面在数据运动初始化之前访问数据标题的需求。

  但数据层面有不同的需求。它的主要需求就是从设备的任何输入端口向任何输出端口高速移动数据。传统的多分支型并行总线(如 PCI)无法满足这种要求。虽然多分支总线具备交叉连接能力,但一次只有一对设备可以相互通信。而 PCIe 则在数据路径中采用了交换结构。这些交换结构相互间可以是无阻挡的,即能够一次连接很多对端口(图 2)。这种能力意味着,PCIe 具有为数

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