開關(guān)成熟度

PCIe 開關(guān)是 PCIe 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建塊。由于芯片組提供有限數(shù)量的原生 PCIe 端口，因此交換機(jī)通常用于創(chuàng)建額外的 PCIe 端口。使用交換機(jī)允許芯片組扇出更多的 PCIe 端點(diǎn)或 I/O。

隨著 PCIe 協(xié)議的成熟，它的實(shí)現(xiàn)也越來越成熟。芯片組過去帶有一個(gè) PCIe 端口，但現(xiàn)在通常支持多個(gè) PCIe 端口。幾年前，設(shè)計(jì)人員很難找到支持 PCIe 的嵌入式處理器。如今，支持兩個(gè)甚至三個(gè) PCIe 端口的嵌入式處理器很常見。

下一代功能

PCIe 交換機(jī)同樣已經(jīng)成熟。第 1 代交換機(jī)最初只是提供扇出功能，而第 2 代交換機(jī)則支持特定于應(yīng)用程序的性能增強(qiáng)功能，例如讀取步調(diào)和雙播。

當(dāng)今的服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)混合使用通過連接到 PCIe 的適配器實(shí)現(xiàn)的恒定和突發(fā) I/O 的情況并不少見。光纖通道主機(jī)總線適配器 （FC HBA） 是一個(gè)恒定的、需要大量數(shù)據(jù)的端點(diǎn)的示例，它大部分時(shí)間都在向主機(jī)發(fā)送大量讀取請(qǐng)求。另一方面，千兆以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡 （GE NIC） 是一個(gè)本質(zhì)上是突發(fā)性的端點(diǎn)，會(huì)根據(jù)需要向主機(jī)發(fā)送少量、不頻繁的讀取請(qǐng)求。

在標(biāo)準(zhǔn) PCIe 系統(tǒng)中，如果 GE NIC 在 FC HBA 已經(jīng)發(fā)出大約 8 個(gè)讀取請(qǐng)求之后發(fā)送了一個(gè)小的讀取請(qǐng)求，則 GE NIC 必須等待 CPU 處理完所有 8 個(gè) FC HBA 讀取請(qǐng)求，然后再處理一個(gè)GE 網(wǎng)卡讀取請(qǐng)求。因此，GE NIC 性能會(huì)受到影響，因?yàn)樗ㄙM(fèi)幾個(gè)周期來等待接收其請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。FC HBA 讀取請(qǐng)求往往比 GE NIC 的請(qǐng)求更大且更頻繁，這一事實(shí)只會(huì)加劇 GE NIC 性能下降。這個(gè)問題是 PCIe 協(xié)議和 CPU 用于處理傳入讀取請(qǐng)求的先進(jìn)先出 （FIFO） 方案的副產(chǎn)品。

讀取步調(diào)通過在處理讀取請(qǐng)求時(shí)公平分配 CPU 帶寬來解決這個(gè)難題。在圖 1 中，讀取步調(diào)允許 GE NIC 跳到待處理的 FC HBA 讀取請(qǐng)求之前，從而顯著減少 GE NIC 的最壞情況等待時(shí)間。PCIe 交換機(jī)無需等待所有排隊(duì)的 FC HBA 讀取請(qǐng)求得到服務(wù)，而是允許 GE NIC 讀取請(qǐng)求在隊(duì)列中向前跳轉(zhuǎn)。

圖1

雖然突發(fā) I/O 性能可以體驗(yàn) 5 倍或更高的性能提升，但恒定 I/O 性能不會(huì)受到影響。read pacing 使用的算法考慮了恒定的 I/O 性能，并確保其性能不會(huì)下降?；诖怂惴?，讀取步調(diào)支持其自己的默認(rèn)設(shè)置集合。但是，想要自定義讀取步調(diào)功能的設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要對(duì)自己的閾值進(jìn)行編程。

雙鑄

雙播功能允許將一個(gè)入口數(shù)據(jù)包同時(shí)復(fù)制到兩個(gè)出口端口——一個(gè)數(shù)據(jù)包輸入，兩個(gè)數(shù)據(jù)包輸出。入口端口和兩個(gè)出口端口是用戶可編程的。每當(dāng)數(shù)據(jù)包從選定的入口端口寫入選定出口端口中的指定地址范圍時(shí)，交換機(jī)都會(huì)自動(dòng)生成出口數(shù)據(jù)包的副本并將該副本發(fā)送到第二個(gè)指定的出口端口。

在冗余和故障轉(zhuǎn)移應(yīng)用程序中，CPU 通常會(huì)將數(shù)據(jù)包的副本發(fā)送到冗余端點(diǎn)或輔助系統(tǒng)，以確保在系統(tǒng)崩潰時(shí)可以使用數(shù)據(jù)的備份副本。借助雙重投射（如圖 2 所示），PCIe 交換機(jī)減輕了 CPU 管理冗余流量的負(fù)擔(dān)，將 CPU 需要執(zhí)行的寫入次數(shù)減少了一半。

圖 2

調(diào)試和診斷鏈接

除了這些特定于應(yīng)用的性能特性之外，最新的 PCIe Gen 2 交換機(jī)還提供了許多可以加速系統(tǒng)啟動(dòng)的集成調(diào)試和診斷特性。

PCIe 數(shù)據(jù)包生成器

內(nèi)置的 PCIe 數(shù)據(jù)包發(fā)生器允許設(shè)計(jì)人員以全線速 （5.0 Gbps） 運(yùn)行 PCIe 交換機(jī)的外部鏈路。這款可編程發(fā)生器使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建自己的流量模式，其強(qiáng)大功能足以使 x16 Gen 2 鏈路飽和。數(shù)據(jù)包生成器在系統(tǒng)調(diào)試和啟動(dòng)期間非常有用，允許設(shè)計(jì)人員針對(duì)可定制的高密度流量測(cè)試他們的系統(tǒng)。

性能監(jiān)控

集成的實(shí)時(shí)性能監(jiān)視器允許設(shè)計(jì)人員通過使用 PCIe 交換機(jī)的 GUI 設(shè)計(jì)工具查看每個(gè)端口上的入口和出口性能，因?yàn)榱髁客ㄟ^交換機(jī)。性能監(jiān)控是完全被動(dòng)的，因此對(duì)整體系統(tǒng)性能沒有影響。內(nèi)部計(jì)數(shù)器為流量和數(shù)據(jù)包類型提供了廣泛的粒度。此外，設(shè)計(jì)人員可以修改示例應(yīng)用程序代碼以允許進(jìn)一步定制，例如流量過濾。此功能對(duì)于暴露性能瓶頸、識(shí)別未充分利用的鏈路以及優(yōu)化系統(tǒng)性能非常有用。

SERDES 眼圖捕捉

設(shè)計(jì)人員可以使用開關(guān)的 SERDES 眼圖捕獲功能在物理層評(píng)估系統(tǒng)的信號(hào)完整性，如圖 3 所示。再次使用開關(guān)的軟件工具，設(shè)計(jì)人員可以查看開關(guān)上任何通道的接收器眼圖。此功能對(duì)于發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的信號(hào)完整性錯(cuò)誤很有用，設(shè)計(jì)人員可以通過修改 SERDES 設(shè)置并查看調(diào)整對(duì)接收器眼圖的影響來識(shí)別這些錯(cuò)誤。

圖 3

錯(cuò)誤注入

錯(cuò)誤注入允許設(shè)計(jì)人員將格式錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包和/或致命錯(cuò)誤注入他們的系統(tǒng)，從而使他們能夠評(píng)估系統(tǒng)檢測(cè)此類錯(cuò)誤并從中恢復(fù)的能力。

縮小差距

除了沒有理解 PCIe Gen 2 除了額外帶寬之外的好處之外，一些設(shè)計(jì)人員還沒有意識(shí)到從 Gen 1 到 Gen 2 的過渡比看起來要簡單得多。根據(jù) PCI Express 基本規(guī)范修訂版 2.0 的要求，PCIe Gen 2 向后兼容 Gen 1。因此，包括交換機(jī)在內(nèi)的所有 PCIe Gen 2 設(shè)備都與所有 Gen 1 設(shè)備相連。如圖 4 所示，第 2 代交換機(jī)可用作第 1 代到第 2 代的橋接器。

圖 4

例如，使用傳統(tǒng) PCIe Gen 1 芯片組的設(shè)計(jì)人員可以使用 Gen 2 交換機(jī)連接到 Gen 1 端點(diǎn)。使用 Gen 2 交換機(jī)不僅提供各種性能和調(diào)試功能，還允許 Gen 2 端點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流量以 5 Gbps 的速度運(yùn)行，使 Gen 1 交換機(jī)提供的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)性能翻倍。

相反，使用 Gen 2 芯片組的設(shè)計(jì)人員可以利用 Gen 2 交換機(jī)扇出到 Gen 1 端點(diǎn)。通過使用 Gen 2 交換機(jī)，設(shè)計(jì)人員可以利用 Gen 2 交換機(jī)內(nèi)置的上述性能和調(diào)試功能，同時(shí)隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展獲得連接到 Gen 2 端點(diǎn)的靈活性。

PCIe Gen 2 現(xiàn)在和現(xiàn)在

隨著 PCIe 市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，PCIe 交換機(jī)的創(chuàng)新也在不斷擴(kuò)大。當(dāng)今的第 2 代交換機(jī)提供高性能、集成的特定應(yīng)用性能增強(qiáng)功能以及內(nèi)置調(diào)試和診斷功能。插入第 2 代交換機(jī)是設(shè)計(jì)人員將其傳統(tǒng)的第 1 代系統(tǒng)升級(jí)為支持第 2 代的最簡單方法，從而使他們的系統(tǒng)在這個(gè)快速發(fā)展的市場(chǎng)中面向未來。

審核編輯：郭婷