קישורית PCIE החלה ב-GEN1, התקדמה ל-GEN2, ועכשיו מאיצה ל-GEN3, עקפה את יתר הקישוריות בסיבוב . . . מאת: מוטי סגל, ניסקו פרוייקטים. PCIE הינו שדרוג חיבור הביניים הטורי לתקני PCI ו-PCIX, הוא הוגדר כדי לספק ביצועים משופרים ולהפחית בעיות הכרוכות בשלמות האותות ובתכנון המעגלים, שנוצרו כתוצאה מההרחבה ההיסטורית של האפיקים המקביליים. הצורך בשדרוג זה התעורר במיוחד במחשוב ארגוני, אישי וביישומי אחסון, והוא דחף את קבוצת SIG-PCI ואת ספקי הרכיבים להתאים את המפרט הראשוני ואת פתרונות המערכת לדרישות שנוצרו. ואולם, למרות המומנטום העצום של PCIE והנוכחות הבולטת שלו ביישומי מחשוב ואחסון נתונים, האימוץ שלו ביישומים משובצים ובתקשורת היה מוגבל מאוד. מאז ומעולם פיגר האימוץ של טכנולוגיות חיבורים פנימיים ביישומים אלו אחרי האימוץ בשווקים אחרים כתוצאה ממחזורי תכנון ארוכים יותר ומאורך חיי המוצרים. פיגור זה נבע גם מהעובדה שאפיקי PCI ו-PCIX המשמשים בעיקר לבקרה, המשיכו לעמוד בדרישות הביצועים.
בשנים האחרונות, התכנונים של המוצרים כוללים שימוש בדור הראשון והדור השני של PCIE, הם תורמים לשיפור הקישוריות המסועפת בין המעבד והתקנים היקפיים אשר על הכרטיס. כיום מתחיל גם הדור השלישי של PCIE להראות את נוכחותו בשוק המערכות המשובצות, אחסון, תקשורת וכו’.
מפרט PCIE מגדיר טופולוגיה מבוססת עץ עם שורש יחיד וענפים מרובים (ROOT COMPLEX) שמתאימה היטב לקישוריות יעילה בין “מתחם” מחשוב יחיד והכניסות/יציאות המקומיות שלו. למבנה זה, המתאים ליישומי שרתים ואחסון, אין יתרון בחיבורי ביניים של מערכות מרובות שורש למעט הצורך ביתירות של המערכת. מערכות תקשורת ומערכות משובצות מתקדמות התאימו את מבנה המערכת שלהם לתמיכה בארכיטקטורה של PCIE. האימוץ של PCIE צובר תופס תאוצה ברוב המערכות כיום.
תקן זה, שכאמור הוא האחרון בגלגוליו של מחבר כרטיס ההרחבה, הוא מבחינת מחשבה חדשה על כל תחום התקשורת בין הרכיבים בלוח. בעוד קודם לכן התקשורת בין הרכיבים השונים הייתה מקבילית (כלומר כמה קווי תקשורת בין רכיב לרכיב המשדרים וקולטים במקביל), ה-PCI-Express הופך את התקשורת הזו לטורית בנוסף למקבילית (כמה קווי תקשורת המשדרים וקולטים לסירוגין). לכאורה, נראה כי התקשורת הטורית יעילה פחות מהמקבילית, שכן נראה כי יותר מידע עובר בצורה מקבילית מאשר בשיטה הטורית העושה שימוש בפחות קווי תקשורת, וכן משתמשת באותם הקווים עבור תקשורת בשני הכיוונים.
איור 1
איור 2
אך פיתוחים טכנולוגיים בשנים האחרונות הצליחו להוכיח את ההפך הגמור – בעוד ישנה מגבלה במהירות שבה ניתן לשדר על גבי קווי התקשורת המקבילים (מבחינת הפרעות והמרחק בין הקווים), קווי התקשורת הטוריים אינם מוגבלים באותו אופן, שכן יש צורך בפחות קווי תקשורת ולכן ניתן להגיע למהירות תעבורת מידע גבוהה יותר. דוגמה לכך ניתן לראות בהשוואה בין חיבורי המדפסות המקבילים הישנים, לבין חיבורי ה-USB הנוכחיים (הטוריים), כאשר בחיבור ה-USB ניתן לראות גמישות רבה יותר ותוספת תכונות לעומת החיבור המקבילי הישן, שלא לדבר על תוספת המהירות הניכרת.
ה-PCI-Express מביא גישה חדשה שונה לגמרי עבור תקשורת הרכיבים, גישה זו דומה יותר לגישה שאנו מוצאים ברשתות מחשבים גדולות כגון האינטרנט. בגישה זו נארז המידע באריזות מידע קטנות (Packets) ומשודר בתוספת ביטים עבור כתובות שונות ובדיקות שגיאה עבור המידע המצוי ב-Packet. חבילות מידע אלו משודרות במהירות גבוהה הרבה יותר מאלו המשודרות ברשת הביתית שלכם, ויוצרות את היתרון הגדול של ה-PCI-Express מול שאר שיטות התקשורת על גבי לוח האם? כל חבילת מידע יכולה להיות מועברת לכל רכיב ביעילות רבה יותר.
גישה זו לתקשורת נתונים בלוח האם הופכת למעשה את הגשר הדרומי לרכיב רשת שנקרא Switch המנתב את חבילות המידע בין רכיב לרכיב.
ארכיטקטורה זו של תקשורת מאשפרת גמישות רבה במיקום הפיזי של חריצי ההרחבה של ה-PCI-Express וכן מאפשרת צימוד של כמה חריצים על מנת ליצור ערוץ תקשורת בעל רוחב פס גדול יותר מכמה חריצים המסודרים מזה אחר זה. כרטיסי המסך הנוכחיים עושים שימוש בכמה מחברים של PCI-Express המסודרים בשורה, ויוצרים למעשה מחבר יחיד המאפשר העברת רוחב פס גדול פי 16 ממחבר יחיד.
במאי 2008 הוסיפה קבוצת PCI-SIG יכולת שידור מרובב לתקן PCIe גרסה 2.0 יכולת זו מספקת פונקציונליות להעברה ושיתוף של נתונים בין מרכיבי מערכות מבוזרות ומסירה מכשול שעמד בפני אימוץ PCIe לחיבור הראשי במערכות משובצות ותקשורת. שידור מרובב יוצר אופטימיזציה של המשאבים ומאפשר שידור נתונים יעיל למרכיבי מערכת מרובים עם זמן אחזור (latency) מוקטן ועקיבות רבה. המימוש של שידור מרובב PCIe מספק את היתרונות האלה כהרחבה של מפרט PCIe הקיים ללא הוספת מעמס וללא שינויים במודלים של השימוש או במערכות החיבורים הקיימים.
איור 3
איור 4
יתרונות השידור המרובב
שידור מרובב (multicast) מוגדר כאמצעי להעברת חבילות נתונים מחולקות בו זמנית לקבוצה של יעדים, תוך ניהול יעיל של משאבים ורוחב פס על ידי מניעת כפילות נתונים מיותרת.
במערכות משובצות ובתקשורת השידור המרובב מספק מנגנון יעיל להעברת נתונים למערכות רבות עבור משימות כדוגמת משלוח פקודות אתחול ותמונות בו זמניים להפחתת משך רצף האתחול וזמני ההשבתה וכן עדכון נתיבים ובקרת מדיניות להבטחת עקיבות. באיור 1 מתוארת אופטימיזציית משאבים דרך הקטנת התקורה בשידור נתונים זהים לנמענים רבים. מתג PCIe ללא שידור מרובב מתואר לעומת מתג עם תמיכה בשידור מרובב.
מערכת התומכת בשידור מרובב מחליפה ארבע טרנסאקציות סדרתיות בטרנסאקציה יחידה ומאפשרת יעילות בניצול משאבים ובהמשך פעילויות אחרות של היע״מ (CPU) היוזם. אפשר לשפר יעילות זו דרך ניצול משאבי המחשוב או לחסוך בעלויות ובהספק של המערכת. בנוסף לאופטימיזציה, החלפת טרנסאקציות בדידות בטרנסאקציית שידור מרובב אחת, מקטינה את זמן האחזור ומגדילה את העקיבות במערכת. בדוגמה המופיעה באיור 1, כשיגיעו הנתונים לנקודת הקצה האחרונה, הם כבר לא יהיו מעודכנים. אם הנתונים הנשלחים לנקודות הקצה הם עדכון לטבלת הניתוב במערכת תקשורת, מאחר שזמן האחזור בהעברה סדרתית גדל עבור כל נקודת קצה, כרטיסי הקו הממתינים לעדכון יעבירו חבילות לפי הטבלה הלא מעודכנת. שידור מרובב משפר את ניצול הקישור בכך שלעיתים הוא מסיר ״צווארי בקבוק״ ומגדיל את הביצועים או מאפשר שימוש בקישורים קטנים ויעילים יותר עם חיסכון בהספק ומורכבות פשוטה יותר. פרוטוקול שידור מרובב ^PCIe יוצר עותקי נתונים רק במקרים של ״ענפים״.
איור 2 מתאר חיבור ביניים בריבוי דילוגים בעזרת זוג של מתגי PCIe. במערכת שידור יחידני (unicast), נתונים זהים עוברים בנקודות 1 ו-4 פעמים רבות. במערכת בצד ימין, שידור מרובב עם PCIe, הנתונים משודרים פעם אחת בכל קישור.
איור 5
איור 6
מימוש שידוד מרובב PCIE
ככל הרחבה של מפרט, שידור מרובב PCIe-a לא יכול להשפיע לרעה או להעמיס מערכות קיימות, או מודלים קיימים לשימוש, והוא הוגדר כך במיוחד על מנת שלא ידרוש שינויים בחומרה קיימת לניתוב במתחמים, או בנקודות קצה קיימות, ולא ידרוש פורמטים חדשים של חבילות שכבת הטרנסאקציות (TLP). השידור מוגדר בפונקציונליות שידור מרובב מבוססת כתובת המשתמשת במקטע של זיכרון PCIe המשותף, ובמודל תכנות פשוט לניתוב חבילות TLP בכתיבה לזיכרון לנמענים רבים בעד 64 קבוצות שידור (MCG). על אף שקבוצת MCG יכולה להכיל אפס חברים או חבר אחד, היתרונות מתבטאים רק כשקיימים יותר משניים, ולכן יש להשתמש במתג PCie (או בסדרה) ליצירת קישור בין יוזם לחברים. הייזום של תעבורת השידור יכולה להיות מכל התקן בהיררכיה ואל כל מספר של נמענים עם חיבור למתג ויכולת שידור מרובב. מתג בעל מבנה שידור מרובב יכול לשדר חבילות מכל חיבור port ולכל חיבור port שבו. יש יתרונות בהכללת מבנה כזה במתחמי שורש ובנקודות קצה, אבל זו אופציה בלבד. תוכנת המערכת מגדירה את הקונפיגורציה של מרחב כתובות השידור המרובב על ידי פתיחת חלון במרחב הזיכרון המתחיל בכתובת הבסיס כמוצג באיור 3. מכתובת הבסיס, חלון השידור המרובב מוגדר כטווח כתובות רציף שניתן לחלוקה לטווחי משנה בגודל זהה של עד 64 קבוצות MCG נתמכות. אין מגבלה מעשית על גודל החלון(הוא יכול להיות עד 263 ביית) ואפשר להגדיר את מספר הקבוצות בחלון בטווח 1—64.
התמיכה בשידור מרובב במערכת דורשת ממתגי PCie שכל חיבור port המשדר או קולט יתמוך במבנה יכולת שידור מרובב (Multicast Capability Structure) משר P2P הוירטואלי הקשור. בכל מבנה כזה, אוגרי בקרה המוגדרים בקונפיגורציה זהה שומרים את המידע הבא: כתובת הבסיס, מספר קבוצות MCG, וגודל חלון קבוצת MCG. בנוסף, בכל מבנה כזה קיים וקטור של 64 סיביות בקרה המאפשר שידור מרובב ^-PCIe לבין שידור יחידני. חבילות TLP מקודדות ללא שגיאות מועברות לאפיק PCI הוירטואלי של המתג. בניגוד לשידור יחידני, בשידור מרובב חבילות TLP מועברות באופן סימטרי ללא קשר אם גשר P2P מקושר לחיבור עולה או יורד. כל חיבורי port של המתג (או פונקציית גשר P2P) המחוברים לאפיק PCI הוירטואלי קולטים את החבילות ובוחנים בווקטור אפשור הקליטה את סטטוס הסיבית המתאימה לזיהוי MCG בכתובת. וקטור זה קובע, לפי קבוצת MCG, אם פונקציית הגשר מורשית להעביר את החבילה ליעדה. כל פונקצית גשר p2p במתג יכולה להירשם כמקבל חבילות TLP על בסיס קבוצתי. מרגע שפונקצית הגשר קיבלה חבילה, היא מבצעת עיבוד יציאה (egress) של החבילה.
עיבוד יציאה של חבילות TLP ישתנה בהתאם ליכולת של השותף לקישור בחיבור port הקשור לגשר. כאשר לשותף לקישור יש מבנה יכולת שידור מרובב כמו בשידור למתג PCIe המוצג באיור 5, החבילה מועברת לניתוב נוסף ללא שינויים. לתמיכה בנקודות קצה חסרות יכולת שידור מרובב, התוכנה חייבת להבטיח שאוגרי כתובת הבסיס של נקודת הקצה יהיו בחפיפה מסוימת עם טווח כתובות השידור המרובב, או שמתג PCIe חייב להפעיל את המנגנון האופציונלי לחפיפת שידור מרובב.
פונקציונליות חפיפת הכתובות, המתוארת באיור 6, היא מנגנון שאפשר להשתמש בו לשינוי מערך הכתובות של חבילת TLP מחלון השידור המרובב לחלון אוגר כתובות הבסיס (BAR) של נקודת הקצה. חפיפת הכתובות מבוצעת על ידי חיבורי port של המתג.
לסיכום, PCI EXPRESS, הפך להיות ברירת המחדל של הקישוריות הנפוצות כיום, ישנן עדיין מערכות אשר משתמשות ב-GEN1, אך רוב המערכות החדשות מתבססות על GEN2 ובקרוב מאוד תכנונים חדשים יכללו שימוש גם ב-GEN3 אשר מתחיל להראות אותותיו בשוק הרכיבים.
ניסקו פרוייקטים הינה הנציגה של IDT בישראל
