高性能IO技术及发展趋势

摘要：本文主要就近年来问世的新一代高性能I/O技术做一全方位介绍，着重从其基本特性和体系结构的角度分析各种I/O技术的特点，以帮助有关技术人员进一步把握新一代高性能I/O的技术现状及发展趋势。

关键词：高性能I/O技术、PCI Express、InfiniBand、Fibre Channel、HyperTransport、RapidIO、SPI、SAS、iSCSI、SA TA

一、引言

计算机I/O技术在高性能计算技术的发展中始终是一个十分重要的关键技术。其技术特性决定了计算机I/O的处理能力，进而决定了计算机的整体性能以及应用环境。从根本上讲，

无论现在还是将来，I/O技术都将制约着计算机技术的应用与发展，尤其在高端计算领域。近年来随着高端计算市场的日益活跃，看似平静的高性能I/O技术之争也愈演愈烈。尤其是当计算机主机速率与总线速率的矛盾日益突出时，新的总线技术便应运而生，演绎出一段段精彩的技术篇章，计算机I/O技术的发展开始让我们眼花缭乱。如PCI Express、InfiniBand、HyperTransport、RapidIO等高性能I/O技术的发展令人注目。而广泛应用于网络存储、高性能集群及并行计算系统的I/O技术，如Fibre Channel、SCSI Parallel Interface（SPI）、Serial Attached SCSI（SAS）、iSCSI等，更使计算机总线技术远远超出“连接功能部件”的范畴。本文试图从基本概念、体系结构、功能指标等角度全面分析新近问世的各种高性能I/O 技术，以全方位展示其技术特点，帮助有关技术人员把握高性能I/O的技术现状和发展趋势。

二、新一代高性能I/O技术综述

近年来推出的新一代高性能I/O主要有：PCI Express（3GIO）、InfiniBand Architecture （IBA）、Fibre Channel（FC）、HyperTransport、RapidIO、SPI（SCSI Parallel Interface）、SAS （Serial Attached SCSI）、iSCSI、SA TA（Serial A TA）等。

（1）PCI Express

PCI Express（3GIO）是一种新型串行Point-to-Point I/O总线体系。其基本目标有两个：一是提供chip-to-chip级互联的局部总线，二是以较低的开销升级现有的PCI架构性能。这一串行总线的根本动机就是通过少许引脚来实现高带宽数据传输，而不是像并行PCI或PCI-X 那样。据PCI-SIG（Special Interest Group）最新公布的数据，PCI Express目前可以达到的单路单向速率是2.5Gb/s。也就是说可提供高达200MB/s的带宽，近乎是典型PCI2.2速率的2倍。今后随着硅片技术的不断发展，单路单向的数据传输速率可望突破10Gb/s，几乎达到铜介质数据传输率的极限值。此外，PCI Express通过增加信号线对还可组成X1、X2、X4、X8、X16、X32等多路I/O总线，这样一来其所能达到的峰值带宽简直是无法想像的。在提供了更高带宽的同时，PCI Express还提供了对PCI和PCI-X软件的兼容支持，和对chip-to-chip级、I/O适配器之间以及对IEEE 1394、USB 2.0等附属接口的支持。

PCI Express的体系结构：PCI Express采用的分层体系结构使其可扩展性、模块化以及重用机制成为可能。它从体系结构上可以分为五层，从上至下分别为物理层、数据链路层、事物处理层、软件层以及Config/OS层。上面三层结构基本上与具体的操作系统无关，并且将

来PCI Express速度的提高和编码策略的改变只会影响到物理层的改变。

a.物理层

最基本的物理连接包括两个低电压差分驱动信号对，即接收对和传输对。通过嵌入采用8b/10b编码机制的数据时钟，可以获取很高的数据传输速率。单根信号线可以达到2.5Gb/s 的数据传输率。物理层在两个PCI Express代理之间的链路层间传输数据包。通过增加信号线对，可以线性地扩展PCI Express的带宽。物理层可支持X1、X2、X4、X8、X16以及X32路带宽。

b.数据链路层

数据链路层的首要功能就是确保PCI Express链路上数据包的可靠传输。数据链路层负责数据的完整性和数据包的有序性，通过添加CRC校验序列可以确保数据的准确性。同时PCI Express的数据链路层支持数据包重传机制。

c.事物处理层

事务处理层接收来自软件层的读写请求，并为到链路层的数据传输创建请求包。同时，事务处理层也接收来自数据链路层的响应包，并通过原始的软件层请求予以匹配。所有的包都有惟一的标志来匹配相应的请求和响应。这些包都含有优先权属性选项。事物处理层支持四种类型的地址空间，包括内存地址、I/O地址、配置地址以及消息地址。

d.软件层

PCI Express软件层的主要特性是：PCI软件模型兼容性，包括100％的OS和驱动级兼容，提供PCI枚举、配置和电源管理机制，以及后继应用中的加强性能；面向PCI Express 特定扩展的PCI可用性性能等。

PCI Express主要有以下特点：

●相对低开销。在系统级上的开销不大于现有的并行PCI总线架构；为硅片、板卡、连接器等系统成分提供了更为广阔的发展空间。

●支持多市场需求和应用。可以用于移动通信、桌面系统、服务器以及通信设备，也可以用来平衡上述方面的性能和相关特性。

●支持稳定性、可升级性以及可扩展性。可支持未来至少10年的应用和技术，提供了电源管理、QoS、Hot Attache/Detach、RAS等高级特性和性能支持。

●实现了与PCI体系结构和基础部件的高兼容性。一方面，不需要对现有的各种操作系统做任何改变就可以启动系统；另一方面，可利用了现有的系统基础架构而不需要做任何改变。