NGIO (система ввода-вывода нового поколения)

NGIO – новое поколение систем ввода-вывода. Новое поколение процессоров для PC.

Рылов В.Ю.

1. Система ввода-вывода NGIO.

NGIO (The Next Generation Input) – Output это принципиально новый подход в организации периферии персональных компьютеров предложенный и анонсированный фирмой Intel.

Для начала рассмотрим недостатки существующей на сегодняшний момент организации периферии компьютеров. Самой прогрессивной технологией, из реализованных на сегодняшний момент и широко используемой для основных периферийных устройств является шина PCI. Шина ISA уже уходит в прошлое, и даже спецификация PC-98 требует от персональных компьютеров отсутствия шины ISA как самого медленного элемента современных PC. Не смотря на многие хорошие качества шины PCI, она уже подошла к пределу своих физических и технологических перспектив.

Основными ограничениями и недостатками PCI являются следующие свойства:

Max пропускная способность около 133 Мб/сек. При частоте шины 33 Мгц. (Вариант на 66 Мгц широкого распространения не получил).

Все устройства имеют прямой доступ к первым 64Мб оперативной памяти, и поэтому существует опасность нарушения целостности системы при использовании некорректно написанных драйверов.

Шина имеет слотовую организацию и, вследствие этого, накладывается ограничение на число подключенных устройств. Выход из строя одного устройства, как правило, блокирует работу компьютера. Нет возможности подключения устройств налету без отключения питания.

В каждый момент времени только одно устройство имеет доступ к шине.

NGIO предоставляет совершенно отличный подход к организации шины периферийных устройств. В основе этого подхода лежит не слотавая, а линковая организация интерфейса между устройствами ввода-вывода и адаптером каналов (Channel Adapter).

У каждого подключаемого устройства имеется TCA (Target Channel Adapter) который обеспечивает физический интерфейс между линком и устройством. Подключаемые устройства коммутируются посредством коммутаторов (Switch) с адаптером HCA (Host Channel Adapter) на компьютере. В HCA рефлизован высокоскоростной DMA контроллер который обеспечивает доставку данных собранных в пакеты от переферийных устройств в память и наоборот. При этом обеспечивается защита памяти, и гарантируется защищенность. Здесь можно провести аналогию с современными сетевыми проьоколами. Т.е. все данные собраны в пакеты размером до 4Gb в которых хранится информация о приемнике, получателе, команде, приоритете, контрольная сумма и т.п. При этом отпадает необходимость участия CPU в операциях ввода-вывода, и нет опасности захвата шины одним устройством.

Таким образом теперь отпадает неоюходимость в разделении устройствами шины т.к. все они имеют DMA доступ к памяти компьютера через TCA и HCA. На уровне приложений и драйверов появляется возможность создания виртуальных каналов, которые на аппаратном уровне будут коммутироваться через один или несколько линков.

С помощью технологии NGIO можно коммутировать устройства разных уровней сложности и типов, обладающие разной скоростью работы и пропускной способностью. Такими устройствами могут быть: всевозможные сетевые адаптеры (от Ethernet до Оптоволокна), SCSI и RAID контроллеры, LAN/WAN шлюзы и прочие.

Сложная организация коммутаторов (Switches) позволяет создовать довольно развитую, многослойную топологию коммутации множества устройств, с возможностью подключения нескольких компьютеров. При этом появляется возможность разделения системы питания устройств и компьютеров и появляется возможность подключения и отключения устройств налету. Также облегчается задача поиска и локализации неисправностей. Физическая организация линков становится независимой от переферийных устройств и драйверов, и, поэтому, остаются большие резервы в увеличении пропускной способности переферийной системы.

2. Новое поколение процессоров для PC.

Бурное развитие высокоточных технологий в микроэлектронике в последние годы было ознаменовано жесткой конкурентной борьбой ведущих производителей микропроцессорной техники для персональных компьютеров в лице фирм Intel, AMD, Cyrix. Прародителем современных микропроцессоров является процессор Pentium-Pro созданный фирмой Intel. В этом микропроцессоре впервые реализован высокоскоросной кэш второго уровня, внеочередное исполнение команд, RISC ядро. Но производство высокоскоросного кэша интегрированного в процессор и работающего на частоте 150-200 Мгц было очень дорогостоящим и сопряжено с большим процентом выбраковки, поэтому процессор P-Pro даже сейчас остается очень дорогим со стоимостью ~ $450. В качестве альтернативы и развития P-Pro фирма Intel выпустила процессор Pentium II с расширенным набором команд (MMX) и кэш памятью 2-го уровня размером 512 Кб выполненной на одной плате с ядром процессора и заключенным в картридж SECC. Кэш память нового процессора работала на частоте ½ частоты ядра для процессоров PII c ядром Klamath (233 - 300МГц) и на 1/3 частоты ядра для процессоров PII с ядром Deshutes (333 – 450 МГц). Себистоимость производства оказалась ниже чем у процессоров P-Pro, что позволило фирме Intel захватить рынок. В качестве замены P-Pro для высокопроизводительных серверных станций был создан процессор Intel PII Xeon c кэш памятью второго уровня 512Кб на частоте ядра выполненный в картридже SECC2 с частотами от 300МГц.

Основным конкурентом фирмы Intel в компьютерах среднего класса стали фирмы Cyrix и AMD. Процессор Cyrix M2 с технологией MMX является процессором 6-го поколения (Наличие внеочередного исполнения, переименования регистров, одновременного использования данных, 64Кб ассоциативного кэша 1-го уровня). Процессор AMD K6-2 с технологией MMX и 3Dnow! стал более успешным конкурентом и вытеснил процессоры Cyrix. (K6 присущи также все черты процессоров 6-го поколения, кроме этого в нем все инструкции x86 разбиваются на более мелкие RISC команды и выполняются в 7 операционных блоках). Основным недостатком процессоров М2 и К6 является неконвейеризированный математический сопроцессор, что и поставило их в невыгодное положение перед процессорами фирмы Intel. Кроме этого фирма AMD выпустила процессор K6-3 в котором интегрирован высокоскоросной кэш второго уровня размером 256 Кб работающий на частоте от 400Мгц. Для возврата позиций на рынке компьютеров среднего и нижнего классов фирма Intel выпустила дешовый вариант процессора PII , процессор Intel Celeron, отличающийся отсутствием кэша 2-го уровня, но зато хорошей “разгоняемостью”.

Ответом фирмы Intel на создание процессора K6-2 с технологией 3Dnow! стало создание и выпуск процессора Pentium III ( ядро Katmai, выполнен по технологии PII + добавлен новый набор команд KNI- Katmai New Instruction set, частота от 450 Мгц ).

Что же нас ждет в будущем на рынке микропроцессоров? Прежде всего хочется отметить новейшую разработку фирмы AMD процессор K7. При его создании активно использовался опыт создания процессора Alpha от фирмы Digital. Этот процессор будет иметь 128 Кб кэш 1-го уровня на частоте ядра (600 МГц), до 8Мб кэша L2 на частоте шины (200 Мгц), шина E6-V от процессора Alpha, конвейеризованный математический сопроцессор с 3-мя операционными блоками, Slot A, что позволяет говорить о его очевидном превосходстве над процессорами Intel. Ниже представлена сводная таблица характеристик современных процессоров.

Intel предпологает выпуск в будущем следующих процессороы:

Tanner: развитие серии Xeon, сначала появится 500 МГц версия, кэш L2 работать на частоте ядра и иметь емкость 512, 1024 или 2048 Кб, системная шина – 100 Мгц, технологический процесс -- 0.25мкм.

Cascades: Cascades будет предназначен для использования в серверах и рабочих станциях. Первые версии будут иметь частоту не менее 600 МГц. В преспективе Cascades вряд ли заменит Tanner, вероятно, он станет его дешевой версией, т.к. будет оснащен только 256 Кб кэшем L2, но зато встроенным в корпус процессора и работающем на полной частоте ядра. Технологический процесс -- 0.18 мкм; системная шина -- 133 МГц.

Coppermine: Это ядро придет на смену Katmai. Главное отличие – использование технологического процесса 0.18 мкм, что даст возможность выпускать процессоры с более высокими внутренними частотами. Судя по всему, к большому сожалению, Coppermine будет иметь L2 кэш емкостью 512 Кб и работающего все так же, на половинной частоте ядра процессора.