Реализация центрального процессора с полнофункциональным набором системной логики в одной микросхеме давно под силу современной микроэлектронике. Но разработчики High-End платформ в силу ряда объективных факторов, таких как рассеиваемая мощность, а также с учетом принципов декомпозиции сложных устройств, предпочитали конструктивно разделять центральный процессор и подсистему ввода-вывода. Эволюция линейки CPU Intel Xeon нарушила эту традицию.
Процессор состоит из десятков подсистем, простое перечисление которых превысит размер статьи, поэтому остановимся только на нескольких моментах, обычно не упоминаемых в презентациях, но показавшихся нам важными с точки зрения исследования архитектуры платформ.
Холодный расчет
Посмотрев на значения TDP или Thermal Design Power (Рис.1) нетрудно понять, что в серверном сегменте ожидается (вернее уже идет) очередной этап миниатюризации.
Рис. 1. Характеристики потребляемой мощности для основного источника питания процессора (линия VCCIN).
Напомним, один из принципов, позволяющих строить компактные и эффективные системы, состоит в определении потребляемой мощности в виде двух параметров:
- Максимальная потребляемая мощность (Pmax) важна при учете предельных электрических характеристик системы электропитания.
- Усредненная мощность TDP (Thermal Design Power), используется для расчета характеристик теплоотвода.
Второй параметр существенно меньше первого, именно поэтому радиатор может быть компактным, а иногда и просто отсутствовать. Предполагается, что потребление мощности, превышающей TDP в течение длительного времени, достаточного для перегрева радиатора, крайне маловероятно. Но если это и произойдет, а теплоотвод, спроектированный на основании TDP (но не Pmax!) не справится со своими обязанностями, в действие вступит thermal throttling. Понижение тактовой частоты, а точнее, частичный пропуск тактов, позволит избежать аварийной ситуации не прерывая работу сервера.
Рис. 2. Одноплатный компьютер на базе Intel Xeon-D от компании X-es, анонсированный 18 марта с.г., используется без активного охлаждения
Интегрированный ввод-вывод
Как известно, северный мост системной логики, включающий контроллер оперативной памяти и «широкие» линки шины PCI Express, стал компонентом процессора уже достаточно давно, поэтому акцентируем внимание на ресурсах южного моста или подсистеме ввода-вывода, также именуемой PCH (Platform Controller Hub), перемещение которого в процессор для серверов, является событием сравнительно недавним.
Рис. 3. Список ресурсов PCH, перемещенных в состав микросхемы CPU
Реализация подсистемы ввода-вывода, ставшей частью процессора, достаточно типична для современных платформ Intel и включает в себя такие компоненты:
- Дисковую подсистему, конфигурируемую для работы в режимах: эмуляции IDE, контроллера AHCI или RAID. Производительность и совместимость на выбор. Наличие узла DMA Engine и технология Intel QuickData позволяют создавать фактически аппаратную реализацию RAID-контроллера средствами центрального процессора.
- Интерфейс шины Low Pin Count, применяемой для связи с медленной периферией.
- Интерфейс шины System Management Bus, обеспечивающей дополнительный канал взаимодействия между ресурсами платформы.
- Подсистема термоконтроля.
- Подсистема USB, содержащая как контроллер USB2 EHCI, необходимый для совместимости с устаревшими ОС, так и современный контроллер USB3 xHCI, полнофункциональный с точки зрения обеспечения всех скоростных режимов универсальной последовательной шины.
- Гигабитный контроллер Ethernet.
- Автономный интеллект платформы в виде подсистемы Intel Management Engine Interface.
- Подсистема, обеспечивающая дистанционное управление платформой, включая функции IDE Redirection и Keyboard and Text Redirection соответственно, для удаленной загрузки и создания консоли. Для этой подсистемы используется последовательный интерфейс в виде memory-mapped UART.
- Многочисленные интерфейсы PCI Express с реконфигурируемыми топологией и скоростными режимами.
Рис. 4. Регистровая модель 82x50 совместимого последовательного интерфейса не утратила своей актуальности и успешно применяется в составе подсистемы KT (Keyboard and Text Redirection) современных платформ
POST-диагностика процессора Xeon-D
Идея оптической передачи POST-кодов с использованием модуляции яркости свечения Power Led, на первый взгляд кажется слишком необычной. Но если объективно взвесить соотношение минимальных аппаратных затрат и максимальной получаемой функциональности, то можно понять, почему полупроводниковый гигант продвигает именно ее уже в нескольких поколениях системной логики как рекомендуемый метод отладки и диагностики платформ.
Рис. 5. Подключение светодиода Power Led. При выводе диагностических кодов, сигнал формируется системной логикой, входящей в состав процессора. Для успешной выдачи диагностических кодов, чип SIO, также имеющий отношение к Power Led, должен перевести свою линию в высокоомное Z-состояние
Как видим, преемственность коснулась не только преимуществ такой схемы, но и ее недостатков. Пробитый выход микросхемы SIO (ведь мы диагностируем неисправную платформу!) не позволит выполнить вывод POST-кодов в диагностический порт светодиодного индикатора.
Подсистема LAN
Гигабитный LAN-контроллер, скромно упомянутый выше, является всего лишь дополнением к значительно более мощной подсистеме, образованной двумя 10-гигабитными высокоинтеллектуальными контроллерами, поддерживающими технологию аппаратной виртуализации ввода-вывода SR-IOV. Одно из объяснений такой функциональной насыщенности, а именно, сосуществования двух видов контроллеров, может состоять в планируемой опциональности наличия производительных NIC.
Рис. 6. Два 10-гигабитных сетевых контроллера поддерживают аппаратную виртуализацию SR-IOV: для взаимодействия со средой передачи используется интерфейс XGMII (10 Gigabit Media Independent Interface)
В соответствии с принципами SR-IOV, контроллеры представляются в адресном пространстве как набор виртуальных функций, раздельно передаваемых в распоряжение гостевых ОС. А семейство технологий Protocol Acceleration / Offloads позволяет освободить центральный процессор от ряда рутинных операций сетевого ввода-вывода.
Рис. 7. Одна из первых реализаций платформы на Intel Xeon-D от компании MEN Micro: кроме разъемов для двух 10G-подключений на плате G25A в наличии имеется также гигабитный интерфейс управления
Вместо послесловия: о первоисточниках
Информация подготовлена на основе открытой документации Intel Xeon Processor D-1500 Product Family Datasheet. Документ состоит из четырех томов:
- Volume 1 Integrated Platform Controller Hub описывает периферийные контроллеры, схемы системной поддержки и другие ресурсы, традиционно расположенные в составе южного моста системной логики, являющиеся частью микросхемы процессора в системах SoC.
- Volume 2 Registers содержит описание ресурсов северного моста системной логики, также входящего в состав процессора. В центре внимания IMC (Integrated Memory Controller), принципы формирования конфигурационного пространства, аппаратная виртуализация VT-d, а также DMA Engine, пришедший на смену Legacy-контроллеру Intel 8237.
- Volume 3 Electrical определяет процессор как электрофизическую систему, нормируя набор питающих напряжений, потребляемые токи и множество сигнальных цепей, обеспечивающих интерфейс микросхемы CPU с внешним миром. Для каждого сигнала описаны электрические параметры и функциональное назначение.
- Volume 4 LAN Controller определяет архитектуру контроллера локальной сети, реализованного в составе процессора. Показательно, что одной этой подсистеме посвящен отдельный том и он самый большой (758 страниц). Здесь рассмотрено достаточно много связанных тем: интерфейс с Flash-памятью конфигурации сетевого адаптера, поддержка технологии виртуализации SR-IOV для NIC.
Четырехтомник ориентирован на разработчиков аппаратных платформ и системного программного обеспечения, в частности UEFI firmware и низкоуровневых драйверов. Отметим, что набор инструкций x86 и его многочисленные функциональные расширения описываются другим многотомным документом — Software Developers Manual, ориентированным на прикладных программистов. Эта информация в описания модельных рядов процессоров не включается.