Архитектура HyperTransport

Технология (архитектура) HyperTransport (HT) задумывалась как альтернатива шинно-мостовой архитектуре системных плат. Технология разработана компаниями AMD, Apple Computers, Broadcom, Cisco Systems, NVIDIA, PMC-Sierra, SGI, SiPackets, Sun Microsystems, Transmeta. Первый релиз вышел в 2001 году, в 2003-м — версия 1.10. Прежнее кодовое название — LDT (Lighting Data Transport).

Основная идея НТ — замена шинного соединения компонентов (периферийных устройств) системой двухточечных встречно направленных соединений. При этом достижима более высокая тактовая частота интерфейсов, что обеспечивает их более высокую (по сравнению с шиной) пропускную способность. Главный мост (host bridge) обеспечивает связь НТ с ядром — процессором и памятью. Периферийные контроллеры, требующие высокой пропускной способности, реализуются в виде НТ-туннелей. В архитектуре предусматривается и мостовая связь с шиной PCI.

Архитектура НТ обеспечивает все типы транзакций процессоров и устройств PCI, PCI-X и AGP, используемые в PC. Транзакции выполняются в виде серий передач пакетов различных типов. В традиционных транзакциях целевое устройство идентифицируется адресом: чтение и запись в пространстве памяти, ввод-вывод в конфигурационном пространстве, а также считывание вектора прерывания из PIC 8259A и специальные циклы PCI. Для унификации транзакций все пространства отображаются на единое 40-битное пространство адресов (объем 1 Тбайт), адрес передается в управляющих пакетах. Первые 1012 Гбайт пространства выделены для отображения обычного пространства памяти (для ОЗУ и ввода-вывода, отображенного на память). В оставшейся 12-гигабайтной области размещаются конфигурационное пространство (32 Мбайт), пространство ввода-вывода (32 Мбайт), память SMM, пространства адресов для выдачи векторов и подтверждения прерываний; 54 Мбайт остались в резерве. Транзакции НТ обеспечивают программное взаимодействие процессора с устройствами, прямой доступ к памяти и одноранговое взаимодействие устройств с адресацией в описанном комбинированном пространстве. Существует сетевое расширение спецификации, поддерживающее обмен сообщениями (как в сетях), причем возможны и широковещательные сообщения.

Транзакции выполняются расщепленным способом: инициатор посылает пакет-запрос и данные для транзакции записи, целевое устройство посылает пакет-ответ и данные для транзакций чтения. Технология НТ обеспечивает упорядоченность выполнения транзакций; есть возможность регулировать качество обслуживания (Quality of Service, QoS), что позволяет организовывать изохронные передачи.

Сигнализация прерываний в НТ реализуется тоже пакетами: устройство посылает сообщение — выполняет транзакцию записи по адресу, указанному ему при конфигурировании (аналогично MSI на шине PCI). Обработчик прерывания посылает сообщение о завершении обработки прерывания (End Of Interrupt, EOI), делая запись по другому адресу, связанному с данным устройством. Такой механизм сигнализации запросов и подтверждений позволяет преодолеть неэффективность традиционого для PC механизма прерываний с помощью специальных линий IRQ.

Архитектура НТ основана на двусторонней пакетной передаче данных между парой устройств. Устройство НТ может выступать в роли инициатора или/и целевого устройства транзакций. По топологическим свойствам различают несколько типов устройств НТ:

• Туннель (tunnel) — устройство с двумя интерфейсами НТ; такие устройства могут собираться в цепочку (daisy chain), образующую логическую шину. Цепочка подключается к хосту (процессору с главным мостом), отвечающему за конфигурирование всех устройств и управляющему работой НТ.
• Мост (bridge) — устройство, соединяющее одну логически первичную шину (подключенную к хосту) с одной или несколькими логически вторичными шинами (цепочками). Мост имеет набор регистров, информация которых позволяет управлять распространением транзакций между этими шинами (аналогично мосту PCI).
• Коммутатор (switch) — устройство с несколькими интерефейсами НТ, по структуре аналогичное нескольким мостам PCI, подключенным к одной (внутренней) шине.
• Тупик, или пещера (cave) — устройство с одним интерфейсом НТ.

Хост (host) — это «хозяин шины», подключающийся к ней через главный мост и выполняющий функции конфигурирования (аналогично и совместимо с PCI). Основной вариант топологии — цепочка устройств-туннелей, подключенная верхним концом к хосту. Каждый интерфейс НТ состоит из двух независимых частей: передатчика и приемника. Каждому устройству при конфигурировании выделяются свои области в адресном пространстве. В цепочке устройства-туннели транслируют пакеты сверху вниз (нисходящий трафик) и снизу вверх (восходящий). Если в нисходящем управляющем пакете устройство обнаруживает свой адрес, оно «понимает», что обращаются к нему, и принимает соответствующую информацию (управляющие пакеты и данные). Восходящий трафик туннель транслирует «вслепую». На полученные запросы устройство отвечает посылкой пакетов вверх, включая их в транслируемый восходящий трафик. Таким образом обеспечивается программное взаимодействие процессора с устройствами. Собственные запросы на доступ к памяти устройство посылает тоже вверх, как и запросы (обращения) к другим устройствам (независимо от положения целевого устройства — выше или ниже в цепочке). Доставку пакета адресату обеспечивает главный мост: он разворачивает пакет, принятый из цепочки (адресованный не к ОЗУ), и посылает его вниз — так организуется одноранговое взаимодействие. На пакет, адресованный к ОЗУ, главный мост организует ответ от контроллера памяти, реализуя таким образом прямой доступ к памяти.

Возможны и более сложные топологии, например дерево (с мостами), позволяющее подключать больше тупиковых устройств. Возможна и цепочка с двумя хостами (на обоих концах), которая может использоваться двояко. В первом варианте обеспечиваются избыточность (дублирование функций хоста) и разделяемость узлов (доступность обоим хостам). При этом один главный мост становится ведущим («настоящим», разворачивающим одноранговые запросы и ответы), через него обеспечивается конфигурирование узлов. Другой мост становится ведомым — он является лишь средством связи второго хоста (процессора) с узлами. Программно при конфигурировании (инициализации НТ) роли мостов можно поменять. Во втором варианте одно из устройств разбивает шину (перестает работать туннелем), в результате получаются два хоста со своими короткими цепочками собственных (неразделяемых) устройств. С применением коммутаторов можно строить и более сложные, но беспетлевые топологии.

Технология HyperTransport предназначена для соединения компонентов компьютеров и коммуникационной аппаратуры, но только в пределах платы — слоты и карты расширения технологией НТ не рассматриваются. Для передачи информации используются два встречных однонаправленных набора высокоскоростных сигналов:

• CAD[n:0] — шина управления (control), адреса (address) и данных (data) разрядностью 2, 4, 8, 16 или 32 бита, причем во встречных направлениях может использоваться различная разрядность. У передатчика сигналы CADOUTx, у приемника — CADINx;
• CTL — сигнал-признак, позволяющий различать передачи пакетов управляющей информации и данных. У передатчика сигнал CTL0UT, у приемника — CTLIN;
• CLK — сигнал синхронизации (по фронту и спаду), для каждого байта CAD используется своя линия CLK (их может быть 1, 2 или 4). У передатчика сигналы CLKOUTx, у приемника — CLKINx.

Сигналы передаются по дифференциальным парам проводов с импедансом 100 Ом, сигналы — LVDS (низковольтные дифференциальные, уровень1,2 В). Частота синхронизации 200, 300, 400, 500, 600, 800 и даже 1000 МГц обеспечивает физическую скорость передачи 400, 600, 800, 1000, 1200, 1600 и 2000 МТ/с (миллионов передач в секунду), что при самых больших разрядности (32 бит) и частоте обеспечивает пиковую скорость передачи данных до 8 Гбайт/с. В первой версии предельная частота была 800 МГц, что давало скорость 6,4 Гбайт/с. Поскольку пакеты могут передаваться одновременно в обоих направлениях, можно говорить о суммарной пропускной способности 12,8 или 16 Гбайт/с.

Помимо сигналов для передачи пакетов, имеются сигналы сброса и инициализации (PWR0K — признак стабильности питания и синхронизации, RESET# — сброс цепочки устройств), а также управления энергопотреблением (LDTST0P# — разрешение/запрет использования соединения при смене состояний системы, LDTREQ# — индикатор активности соединения или его запроса устройством). Эти сигналы «медленные», их формируют передатчики с открытым стоком (open-drain), все одноименные сигналы цепочки объединяются, выполняя функцию «монтажного ИЛИ». Уровни сигналов — LVTTL/CMOS (2,4 В).

По замыслу разработчиков, НТ должна стать архитектурой построения PC, однако пока что используется лишь технология НТ. В вышеприведенном примере главный мост реализует интерфейс AGP. В 64-битных процессорах AMD, в которых применяется НТ, главный мост размещается в самом процессоре. При этом у процессора оказывается два интерфейса: интерфейс памяти (пока что DDR SDRAM) и НТ в качестве системной шины. В распространенных чипсетах (от VIA, SiS) к интерфейсу НТ подключается только северный хаб, обеспечивающий лишь интерфейс подключения графического адаптера — AGP или PCI-E. Южный хаб соединяется с северным собственным интерфейсом, так что использования НТ как универсальной транспортной структуры для множества компонентов пока не наблюдается.