HyperTransport总线技术概览

HyperTransport总线技术概览当初，Intel为自己的82810芯片组创造了HubLink技术来连接南北桥芯片，81x芯片组成为最能发挥UltraDMA66传输性能的芯片组。然而，由于Intel的授权费用高昂，很多芯片组厂商为了降低成本都开始开发自己的连接技术。例如Via公司开发了V-Link(32位，66MHz，266MB/s)，SiS公司开发了DPI(DedicatedPcitoIdebus，266MB/s)和Multi-threadedIOLink(1.2GB/s)，而Motorola公司则提出了RapidI/O。本文要讲的是AMD公司最新开发的一种输入输出总线结构--HyperTransport技术。该技术设计的目的是解决32位和64位处理器系统中的输入输出瓶颈问题。该技术可以提供比PCI、PCI-X和AGP等输入输出总线体系结构高一个数量级的总线数据处理量，其传输速度可与诸如RapidI/O和InfiniBand等输入输出总线结构相媲美。HyperTransport技术的诞生与许多芯片一样，AMD也针对自己的CPU设计了芯片组，并同样面对如何连接南北桥才能更好地发挥UltraDMA66/100的效能问题。然而，AMD的目的绝非想开发独自使用的芯片组技术，而是想制订出一种能适用于各种高速度芯片组之间的传输界面，这就是〃闪电数据传输”(LightningDataTransport，LDT)，2001年2月正式改名为HyperTransport。LDT是在1999年的MicroProcessorForum上首次被提出的。不过当时的LDT技术只是个初步的设想。2000年5月，LDT正式推出了它的1.0版本，有了运行规格，但没有完成任何电气规格方面的设计。在2000WinHEC大会上，AMD再次将LDT技术搬上讲坛，当时有1500个厂商代表出席了会议。在2000年6月Platform2000技术会议上，AMD再次将LDT技术提出。人们对该技术越来越感兴趣，很多厂商参与其中，很大程度上促进了HyperTransport技术的发展。高速的端到端总线技术HyperTransport是一种新型、高速、高性能的为主板上的集成电路互联而设计的端到端总线技术，它可为内存控制器、硬盘控制器以及PCI总线控制器之间开拓出更大的带宽。这种技术可应用于服务器、工作站、网络转换器以及嵌入式应用设备。HyperTransport技术的一个重要特点是，它可以使开发商生产出能与各种微处理器平台一起工作的部件。采用了HyperTransport技术的微处理器将被用于范围更广泛的系统，例如，一种用于台式电脑的微处理器经过简单改造之后，就能用于服务器或工作站。HyperTransport技术最初由AMD公司研制成功，并得到了合作伙伴的大力支持。HyperTransport技术主要是面向IT业和电信行业，但是任何需要速度快、反应时间短的应用都适合使用HyperTransport技术。从系统设计的观点看，HyperTransport技术的I/O总线把相同类型的总线规定为广泛使用的PCI总线，同时也把相同的排序规则用作PCI。首先，它在保持与为PCI总线开发的现有软件向后兼容的同时，还提供高性能通过量，其中包括支持内存读/写操作的能力。HyperTransport技术设计的用意是为了提供比目前的技术更宽的带宽和更短的反应时间，并与标准的PC总线相适应。它还被设计成适合于新系统网络结构（SNA，SystemsNetworkArchitecture）总线，用来传输操作系统，并为外设带来较少的影响。HyperTransport技术概要HyperTransport技术的基础是由数据路径、控制信号和时钟信号组成的双点对点单向链路。每一条数据路径都可以是2到32位宽，标准总线宽度是2、4、8、16和32位。命令、地址和数据共用数据路径。链路由数据路径、控制信号和一或多个时钟信号组成。基于完整的HyperTransport技术系统由带有HyperTransport端口的处理器、LDT总线（即输入链路和输出链路）以及连到LDT总线的任何I/O信道构成。HyperTransport最突出的技术特点在于其6.4GB/s的高速传输速度。HyperTransport由两条端到端的单向数据传输路径组成（一条为输入、一条为输出）。两条单向传输路径的数据带宽是可以根据数据量的大小而弹性改变，最低的有2位，可以调节为4位、8位、16位和32位，HyperTransport运行在400MHz的时钟频率下，但是使用的是与DDRSDRAM相同的双时钟频率触发技术，所以在400MHz的额定频率下，与工作在800MHz的效能相当，正是如此每个数据的资料传输路径最高可以有800Mbps。如果这样来计算，当输入输出的资料输出路径都设置到最高的32位时，然后以全速度400MHzDDR（相当于800MHz）的时钟频率运行，这时数据最高的传输率就实现了6.4GB/s。但是当传输的数据路径的数据宽度降低为非32位时，那么传输数据的速度也自然下降。不过HyperTransport还有一大特色就是当数据宽度为非32位时，可以分批传输数据来达到与32位相同的效果，比如说16位的数据就分两批传输，在使用8位数据时就分4批传送，这种分包传输数据的方法，给了HyperTransport更大的弹性空间。HyperTransport采用的是所谓的差动式数据传输，这与UltraSCSI/2LVD或者USB数据传输方式是相同的，即每一位都是用两条传输线的电压之间的差异来传输数字信号，当A线路的电压电位高于B线路时，看做〃1〃，反之为〃0〃。高速数据传输的特点通常是要使用非常低的运行电压，对于HyperTransport来说这点也是十分正确的。HyperTransport的运行电压为1.2V，电压可以接受的差异标准是正负5%（差异600mV），也就是在1.14〜1.26V之间都可以接受正确逻辑传输信号，这是针对信息发送方面的定义，在数据接收方面则为200mV的电压差异。可见HyperTransport传输的偏差允许度还是比较大的。同SCSI和IDE的规范相同，HyperTransport在传输路径中也需要有终端电阻，但是只要100W的电阻即可，这样，便大大减低了电阻的成本。在采用HyperTransport的主板上，只要设计的线路不超过61cm（24英寸），就能保证先前提到的800Mbps的数据传输率。HyperTransport的技术性能见表1。心螂罪冕时钟is度傕号奥雅嘉名虬■干I4>2H方孰曲・中便也60曰等吩电田的在电井情4HyperTransport技术与其他I/O技术比较除了HyperTransport技术外，还有其他几种总线技术，其中最主要的有PCI、PCI-X和Motorola提出的RapidI/O以及Intel面向通信的InfiniBand。其中，RapidI/O像HyperTransport技术一样，面向处理器、内存、I/O和通信道之间的〃盒内〃通信，而InfiniBand适用范围则更广，它把高级网络体系结构应用到系统间的通信问题。虽然某些InfiniBand提议者也提出盒内解决方案，但InfiniBand的主要目标则更想成为SAN的解决方案，从而提供把许多不同系统群集在一起以组成一个连网的高可用性系统。从这个角度看，HyperTransport与InfiniBand不是竞争的关系，而是互为补充。由Motorola公司开发并建议成为业界开放式标准的RapidI/O在向单板子系统之间的内部通信提供高速机制方面与HyperTransport技术相似。RapidI/O避开了高级协议，并支持唯内存变换I/O方案。此外，它还力争预先考虑和满足系统设计要求，并限制规范，以便提供仅限于关键领域需要的功能性。RapidI/O被定义为三层体系分级结构：逻辑层界定协议和包格式；传送层规定路由选择信息以便把包点对点移动；物量层定义包传送机制、信息流控制、电气特性和低级错误管理。像HyperTransport技术一样，RapidI/O旨在补充面向InfiniBandSAN的协议，而HyperTransport技术则提供更大范围的灵活性和更大的总线带宽。传统的PCI传输数据的速度为133MB/s，PCI-X为1GB/s,InfiniBand在12个信道的情况下传输速度为4GB/s，在普通的4信道的情况下为1.25GB/s。HyperTransport技术传输速度为6.4GB/s，是PCI速度的50倍，是PCI-X的6倍，是4信道情况下InfiniBand的5倍。有一点很重要，这就是，InfiniBand并不是HyperTransport技术的替换技术。每一个HyperTransportI/O接口总线包含两个端到端的单向连接。每一个连接都可以从2位到32位。标准总线带宽支持2、4、8、16和32位。非对称HyperTransportI/O总线适合输入带宽与输出带宽不同的情况。命令、地址和数据（CAD）都使用同样的位。所以，一个简单的、低费用的HyperTransportI/O的执行，在每个方向都使用两个CAD位，被设计成提供每个方向大于400MB/s的带宽（最高速度可以是1.6GB/s）。两个方向的结合几乎可以是PCI32/33峰值带宽的8倍。一个使用16CAD位的更大的结合是被设计成提供两路的带宽（大于3.2GB/s），速度是32位PCI运行在33MHz下的48倍。HyperTransport技术的总线连接带宽在最高传输速率为1.6Gbps时，并且在两个方向使用16位带宽执行的情况下，HyperTransport技术的集合带宽为6.4GB/s。HyperTransport与其他系统接口速度比较见表2。L接口峰值信息传输速度PCI(32bit33.33MHJ!)132MB*PCJ(Mbit66.66MHz)528MB/&PC1-X〔GB/sImfiBand4GB/sHyperTransport64GB/5HyperTransport应用初具规模既然HyperTransport技术带来了如此之高的性能提升，那么哪些系统会需要高速数据交流和高速芯片组呢？除了可以使用在AMD的芯片组里和CPU之外，现在还有哪些厂商会采用HyperTransport技术？可以使用该技术的设备包括网络路由器、网络交换机、网络集线器、服务器和工作站等。此外，在个人设备上也完全可以使用。未来的手持通信设备、家庭计算机网络设备等，都是HyperTransport技术可以完全发挥作用的地方。目前，共有100多家厂商和AMD在共同研究、讨论和推广HyperTransport。其中包括Cisco、Sun、Via、Sis、Ali、AMP、Broadcom、Phoenix、Fujitsu和Nvidia等等。合作涉及的领域十分广泛，而Nvidia则最先推出了使用HyperTransport技术的PC芯片组nForce。2001年6月4日，AMD与Nvidia联合宣布已在Nvidia公司的新芯片组"nForcePlatformProcessingArchitecture〃中嵌入了HyperTransport技术。这是目前首款嵌入HyperTransport技术的nForce芯片组。Nvidia市场销售执行副总裁DanVivoli表示，AMD的HyperTransport技术有助提升多媒体个人电脑及电子游戏的性能。Broadcom处理器业务部副总裁兼总经理DanDobberpuhl表示，AMD的HyperTransport技术可以支持更快速的数据、语音及视频信息传输。Cisc。企业产品部副总裁兼技术总监JohnWakerly更是明确表示，AMD的HyperTransport总线是一种极为重要的新技术，Cisco可以利用这种技术为互联网提供更高性能的解决方案。由于系统器件之间的数据传输通道容易出现瓶颈，降低传输速度，而HyperTransport技术则可以缓解这些瓶颈问题，使处理视频、图形及支持通信的引擎可以减轻工作负担，全速进行操作，确保用户更加满意。尽管目前HyperTransport技术主要应用于信息科技产品及电信领域，但就该技术的特点来说，任何需要高速传输、较短延迟时间及高度灵活性的应用方案均可充分利用HyperTransport这一潜力极大的技术。因此，我们有理由相信，HyperTransport的前景将一片光明。HyperTransport最初是AMD在1999年提出的一种总线技术，随着AMD64位平台的发布和推广，HyperTransport应用越来越广泛，也越来越被人们所熟知。HyperTransport是一种为主板上的集成电路互连而设计的端到端总线技术，它可以在内存控制器、磁盘控制器以及PCI总线控制器之间提供更高的数据传输带宽。HyperTransport采用类似DDR的工作方式，在400MHz工作频率下，相当于800MHz的传输频率。此外HyperTransport是在同一个总线中模拟出两个独立数据链进行点对点数据双向传输，因此理论上最大传输速率可以视为翻倍，具有4、8、16及32位频宽的高速序列连接功能。在400MHz下，双向4bit模式的总线带宽为0.8GB/sec，双向8bit模式的总线带宽为1.6GB/sec；800MHz下，双向8bit模式的总线带宽为3.2GB/sec，双向16bit模式的总线带宽为6.4GB/sec，双向32bit模式的总线带宽为12.8GB/sec。以400MHz下，双向4bit模式为例，带宽计算方法为400MHzX2X2X4bit：8=0.8GB/sec。HyperTransport还有一大特色，就是当数据位宽并非32bit时，可以分批传输数据来达到与32bit相同的效果。例如16bit的数据就可以分两批传输，8bit的数据就可以分四批传输，这种数据分包传输的方法，给了HyperTransport在应用上更大的弹性空间。2004年2月，HyperTransport技术联盟(HyperTransportTechnologyConsortium)又正式发布了HyperTransport2.0规格，由于采用了Dual-data技术，使频率成功提升到了1.0GHz、1.2GHz和1.4GHz，数据传输带宽由每通道1.6Gb/sec提升到了2.0GB/sec、2.4Gb/sec和2.8GB/sec，最大带宽由原来的12.8Gb/sec提升到了22.4GB/sec。当HyperTransport应用于内存控制器时，其实也就类似于传统的前端总线(FSB,FrontSideBus)，因此对于将HyperTransport技术用于内存控制器的CPU来说，其HyperTransport的频率也就相当于前端总线的频率。在系统总线家族中，HyperTransport应该是一个另类，原因是它只是AMD自家提出的企业标准，设计目的是用于高速芯片间的内部联接，但随着AMD64平台的成功，HyperTransport总线的影响力也随之扩大，并成为连接AMD64处理器、北桥芯片和南桥芯片的系统中枢一在这样的架构中，PCIExpress总线反而不再承担中坚角色，只是承担设备扩展的单一职能，HyperTransport便理所当然成为AMD64平台的系统总线。尽管是2004年才开始得到广泛应用，但HyperTransport的历史却极为悠久。早在1999年，AMD就着手进行设计，当时它被称为“LDT（LightningDataTransport）”，意思是传输数据像闪电一样快速。2000年5月，LDT1.0版发布，并被更名为HyperTransport。诚如前面所言，AMD开发HyperTransport的主要意图是为当时还处于设计阶段的K8处理器服务，比如两枚K8处理器构建SMP系统、K8与芯片组、芯片组的南桥与北桥等芯片间连接都需要高速总线，HyperTransport针对这些特定的场合；再者，它也可以作为路由器芯片与交换机芯片、高性能服务器内部的互联总线，具有相当高的灵活性和可扩充性，这一点也为后来的实际应用所证实。在基本工作原理上，HyperTransport与PCIExpress如出一辙，都是通过串行传输、高频率运作获得超高性能一不过正确的说法应该颠倒过来，因为HyperTransport技术早于PCIExpress，后者其实是参照HyperTransport而设计。基本的HyperTransport总线为两条点对点的全双工数据传输线路（一条为输入、一条为输出），它的物理频率只有400MHz，AMD引入了。。日双向触发技术，因此其数据传输频率相当于800MHz；如果同时使用8对这样的串行传输线路（也就是8位），HyperTransport的双向数据传输率可达到1.6GBps；而如果采用32位设计，HyperTransport便能够提供6.4GBps的超高带宽。在2000年，如此高速的总线绝对令外界感到疯狂，而事实最终证明AMD的远见。除了速度快之外，HyperTransport还有一个独有的优势，它可以在串行传输模式下模拟并行数据的传输效果。在当时，PC都是采用32位X86架构，系统内部数据都是以32位作为一个基本单位进行传输或处理；而改用串行总线后，接收方在接收数据时就得等32位数据全部到齐后才可进行转换和封包，这就给系统带来不必要的负担。HyperTransport总线很好地解决了这个问题，它采用一种特殊的分批方式，可以将32位数据预先分批组装一如果采用的是8位总线，那么32位数据会被分成4个批次发送，然后自动合为一体。这样在系统看来，数据都是以32位为单位传送的，它就能够直接调用，而不必像传统串行总线一样需要由系统干涉数据组装工作。第一个采用HyperTransport总线的产品是nVIDIA在2001年推出的nForce芯片组，nVIDIA选择的是8位总线，南北桥带宽就达到800MBps—在当时，同类芯片组的南北桥带宽不过只有区区266MBps，nForce的高指标显得异常前卫。虽然nForce没有获得成功，但高性能的HyperTransport总线给外界留下深刻的印象。2002年，nForce2推出，这次nVIDIA取得了成功，HyperTransport真正进入实用阶段一不过，HyperTransport的真正辉煌还是在AMD的Opteron和Athlon64推出以后。这两款处理器都采用32位、800Mz规格的HyperTransport总线与芯片组连接，总线带宽高达6.4GBps。由于Opteron和Athlon64都直接整合了内存控制器，HyperTransport总线就只需要承担"显卡与CPU”以及"南桥I/O设备与CPU”之间的数据传输任