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系统总线的历史 十二月 22, 2005

Posted by wansion in 技术.
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PC总线与ISA总线

  [2005-10-17]  

     在计算机系统中,各个功能部件都是通过总线交换数据,总线的速度对系统性能有着极大的影响。而也正因为如此,总线被誉为是计算机系统的神经中枢。但相比 CPU、显卡、内存、硬盘等功能部件,总线技术的提升步伐要缓慢得多。在PC发展的二十余年历史中,总线只进行三次更新换代,但它的每次变革都令计算机的面貌焕然一新。在下面的文字中,我们将向大家介绍计算机系统总线的详细发展历程,包括早期的PC总线和ISA总线、PCI/AGP总线、PCI-X总线以及目前主流的PCI Express、HyperTransport高速串行总线。

PC总线与ISA总线

    PC总线是最古老的总线之一,虽然在它之前还有诸如MCA、VESA在内的多种总线规格,但它却是第一种被认可为广泛标准的总线技术。PC总线最早出现在IBM公司1981年推出的PC/XT电脑中,它基于8位结构的8088处理器,也被称为PC/XT总线。

    PC总线沿用了三年多时间,直到1984年,IBM推出基于16位英特尔80286处理器的PC/AT电脑,系统总线才被16位的PC/AT总线所代替。而这个时候,PC产业已初具规模,加之IBM允许第三方厂商开发兼容产品,PC/AT总线规范也被逐渐标准化,并衍生出著名的ISA总线(Industry Standard Architecture,工业标准架构)。

    与PC/AT总线不同,ISA总线采用8位和16位模式,它的最大数据传输率为8MBps和16MBps—今天来看这样的性能低得不可思议,但在当时8MBps的速率绰绰有余,完全可满足多个CPU共享系统资源的需要。既然是标准化的总线技术,ISA就基本不存在什么兼容性问题,后来的兼容PC也无一例外都采用ISA技术作为系统总线。ISA总线一直贯穿286和386SX时代,在当时,16位X86系统对总线性能并没有太高的要求,ISA也没有遭遇任何麻烦。但在32位386DX处理器出现之后,16位宽度的ISA总线就遇到问题,总线数据传输慢使得处理器性能也受到严重的制约。有鉴于此,康柏、惠普、AST、爱普生等九家厂商协同将ISA总线扩展到32位宽度,EISA(Extended Industry Standard Architecture,扩展工业标准架构)总线由此诞生—这是发生在1988年的事情。

    EISA总线的工作频率仍然保持在8MHz水平,但受益于32位宽度,它的总线带宽提升到32MBps。另外,EISA可以完全兼容之前的 8/16位ISA总线,用户已有扩展设备可继续使用,一定程度受到用户的欢迎。然而,EISA并没有重复ISA的辉煌,它的成本过高,且速度潜力有限;更要命的是,在还没有来得及成为正式工业标准的时候,更先进的PCI总线就开始出现,EISA也就成为附庸。不过,EISA总线并没有因此快速消失,它在计算机系统中与PCI总线共存了相当漫长的时光,直到2000年后EISA才正式彻底退出—而此时距EISA标准的提出已经过去了12年。

 

 

庞大的PCI总线家族

    PCI总线诞生于1992年。英特尔推出486处理器,这个时候,EISA总线成为瓶颈,因为CPU的速度已经明显高于总线速度,但受到EISA 的限制,硬盘、显卡和其它外围设备都只能慢速发送和接收数据,整机性能受到严重影响。为了解决这个问题,英特尔公司提出32位PCI总线的概念,并迅速获得认可成为新的工业标准。

    第一个版本的PCI总线工作于33MHz频率下,传输带宽达到133MBps,比ISA总线和EISA总线有了巨大的改进,很好满足当时计算机系统的发展需要。而且PCI采用了独特的中间缓冲器设计,显卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速外围设备都可以直接挂在PCI总线中,再与CPU实现通讯,这种做法不仅满足了当时配件对系统总线的性能要求,也提供了相当的灵活性,其设计思想一直延续至今。在PCI发布一年之后,英特尔公司紧接着提出64位的 PCI总线,它的传输性能达到266MBps,但主要用于企业服务器和工作站领域;由于这些领域对总线性能要求较高,64位/33MHz规格的PCI很快又不够用了,英特尔遂将它的工作频率提升到66MHz。而随着X86服务器市场的不断扩大,64位/66MHz规格的PCI总线理所当然成为该领域的标准,针对服务器/工作站平台设计的SCSI卡、RAID控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用64位PCI接口,乃至到今天,这些设备还被广泛使用。

    不过,PC领域的32位总线一直都没有得到升级,工作频率也停留于33MHz,随着时间的推移,PCI总线又遇到新的瓶颈。1996年,3D显卡出现,揭开3D时代的序幕。由于3D显卡需要与CPU进行频繁的数据交换,而图形数据又往往较为庞大,PCI总线显得力不从心。看到这种情况,英特尔便在 PCI基础上专门研发出一种专门针对显卡的总线标准,它就是大名鼎鼎的AGP总线(加速图形接口,Accelerated Graphics Port)。1996年7月,AGP 1.0标准问世,它的工作频率达到66MHz,具有1X和2X两种模式,数据传输带宽分别达到了266MBps和533MBps。AGP 1.0的出现,在一段时间内基本满足显卡与系统交换数据的需要,为早期的3D显卡广为使用,当然最流行的是AGP 2X模式,只能够支持1X模式的显卡非常罕见。

    AGP 1.0大约只流行了两年时间,原因在于显卡技术发展日新月异,显卡单位时间要处理的数据呈几何级数成倍增长,AGP 2X提供的533MBps带宽很快又无法满足需要。1998年5月,英特尔公司发布AGP 2.0版规范,它的工作频率仍然停留在66MHz,但工作电压降低到1.5V,且通过增加的4X模式,将数据传输带宽提升到1.06GBps,这近乎是个飞跃性的进步。很自然,AGP 4X获得非常广泛的应用,这一点相信众人皆知。而与AGP 2.0同时推出的,还有一种针对图形工作站的AGP Pro接口,这种接口具有更强的供电能力,可驱动高功耗的专业显卡。很自然,AGP Pro成为专业显卡的接口标准,而一些高端PC主板也采用该接口,毕竟它可以完全兼容标准的AGP显卡,在应用上并无障碍。

    AGP 2.0同样活跃了两年时间。2000年8月,英特尔公司推出AGP 3.0规范,它的工作电压进一步降低到0.8V,不过意义最重大的还是所增加的8X模式,这样,它便可以提供2.1GBps的总线带宽。可与前两代技术一样,AGP 8X标准没有辉煌太长时间,PCI Express总线的出现宣告PCI和AGP体系将被终结。但由于过渡不可能短时间完成,AGP 8X至今在市场上还非常活跃,尤其是在中低端领域还占据着主流地位。

    而在另一方面,PCI总线也早已无法满足PC扩展的需要,发展新技术势在必行。用于PC环境的32位/33MHz规格PCI总线只能提供 133MBps带宽,而且要求所有的扩展设备共同分享,这在九十年代初也许没有什么问题,但时过境迁,PC系统发生了巨大的变化,各个设备的接口速度暴涨,如硬盘接口速率超过100MBps,加上千兆网卡、磁盘阵列卡等高性能设备,133MBps共享带宽早已成为严重的瓶颈。而服务器领域虽然使用64位 /66MHz的PCI总线,但该领域的千兆网卡、SCSI硬盘或SCSI RAID系统更是带宽占用大户,PCI总线根本无法满足要求。在这种背景下,开发彻底代替PCI的新一代总线势在必行,对此服务器厂商与PC厂商持有不同的看法,这也导致PCI-X和PCI Express两大标准的同时出现—前者专门针对服务器/工作站领域,采用平滑升级的方式获得高性能,可以称为PCI技术的改良;而后者则是一种革命性的高速串行总线技术,主要用于PC系统中,这也是我们接下来两部分分别要讲述的内容。

图1 EISA总线传输架构,之前的ISA和后来的PCI总线均隶属于该体系。
PCI-X锁定服务器领域

    PCI-X总线由康柏、惠普和IBM等三家服务器厂商于九十年代末共同发起,后来提交给PCI SIG组织修订。这项工作耗费了不短的时间,最终在2000年正式发布PCI-X 1.0版标准,PCI-X宣告诞生。

图2 虽然PCI总线已然落伍,但它的应用极为广泛,至今仍然是PC扩展设备的首选接口。

    在技术上,PCI-X并没有脱离PC体系,它仍使用64位并行总线和共享架构,但将工作频率提升到133MHz,由此获得高达1.06GBps的总带宽。如果四组设备并行工作,每组设备可用带宽为266MBps;如果只有两组设备并行,那么每组设备就可分得533MBps;而在连接一组设备的情况下,该设备便可以独自使用到全部的1.06GBps带宽。相对于64位PCI总线,PCI-X的提升相当明显,在它的帮助下,服务器内部总线资源紧张的难题得到一定的缓解。不过,PCI-X带来的变化不仅如此,它在总线的传输协议方面有许多重要的改良,例如PCI-X启用“寄存器到寄存器”的新协议—发送方发出的数据信号会被预先送入一个专门的寄存器内;寄存器可将信号保持一个时钟周期,而接收方只要在这个时钟周期内作出响应即可。而原来的PCI总线就没有这个缓冲过程,如果接收方无暇处理发送方的信号,那么该信号就会被自动抛弃,容易导致信号遗失。PCI-X的另一个重要优点在于,它可以完全兼容之前的 64位PCI扩展设备,用户已有投资可以获得充分保障。平滑过渡的方式让PCI-X在服务器/工作站领域大获成功,并很快取代64位PCI成为新的标准。

 
图3 PCI-X总线已成为服务器主板的标准配备,主要用于千兆/万兆网卡、磁盘阵列卡、SCSI卡等需要高数据带宽的扩展设备。

    PCI-X 1.0没有辉煌太长时间,基于PCI基础改良的性质让它不可能彻底解决带宽不足的问题。2002年7月,PCI-SIG推出更快的PCI-X 2.0规范,它包含较低速的PCI-X 266及高速的PCI-X 533两套标准,分别针对不同的应用。同样,PCI-X 2.0并没有对总线架构做什么大改动,而只是将工作频率分别提升到266MHz和533MHz,以此获得更高的传输效能。PCI-X 266标准可提供2.1GBps共享带宽,PCI-X 533标准则更是达到4.2GBps的高水平。这两者最多都可以支持8组设备,扩展力相当强大;如果系统只安装4组设备,那么最高级的PCI-X 533标准允许每个设备获得超过1GBps的总线带宽,这完全可满足多路千兆以太网、光纤通道、SAS RAID系统的需求。此外,PCI-X 2.0也保持良好的兼容性,它的接口与PCI-X 1.0完全相同,可无缝兼容之前所有的PCI-X 1.0设备和PCI扩展设备。很自然,PCI-X 2.0成功进入服务器市场并大获成功,直到现在它仍然在服务器市场占据主流地位。

    受到PCI-X 2.0成功的鼓舞,PCI-SIG组织在2002年11月宣布将开发PCI-X 3.0标准、也就是PCI-X 1066。据悉,该标准将工作在1066MHz的高频上,共享带宽达到8.4GBps、每个设备至少都拥有1.06GBps带宽。但十分可惜,这项计划后来并没有下文,原因很可能在于遭遇来自PCI Express阵营的冲击。

    注:PCI-SIG(PCI Special Interest Group,PCI特别兴趣组)于1992年成立,为管理 PCI规范的行业组织,拥有900多个企业成员,核心成员包括IBM、英特尔、AMD、惠普、微软、Phoenix、ServerWorks和德州仪器(Texas Instruments)等八家企业。

PCI Express总线取代PCI

    在服务器领域遭遇总线速度困扰的时候,PC系统也面临相同的问题,而业界也认识到诞生多年的PCI总线是时候退出应用舞台了。在2001年的春季 IDF论坛上,英特尔公司提出3GIO(Third Generation I/O Architecture,第三代I/O体系)总线的概念,它以串行、高频率运作的方式获得高性能,而3GIO的体系设计也十分富有前瞻性,它将被设计为满足未来十年PC系统的性能需要。3GIO计划获得广泛响应,后来英特尔将它提交给PCI-SIG组织,于2002年4月更名为PCI Express并以标准的形式正式推出。它的效能十分惊人,仅仅是X16模式的显卡接口就能够获得惊人的8GBps带宽。更重要的是,PCI Express改良了基础架构,彻底抛离落后的共享结构,一个新的时代开始了。

    在工作原理上,PCI Express与并行体系的PCI没有任何相似之处,它采用串行方式传输数据,而依靠高频率来获得高性能,因此PCI Express也一度被人称为“串行PCI”。由于串行传输不存在信号干扰,总线频率提升不受阻碍,PCI Express很顺利就达到2.5GHz的超高工作频率。其次,PCI Express采用全双工运作模式,最基本的PCI Express拥有4根传输线路,其中2线用于数据发送,2线用于数据接收,也就是发送数据和接收数据可以同时进行。相比之下,PCI总线和PCI-X总线在一个时钟周期内只能作单向数据传输,效率只有PCI Express的一半;加之PCI Express使用8b/10b编码的内嵌时钟技术,时钟信息被直接写入数据流中,这比PCI总线能更有效节省传输通道,提高传输效率。第三,PCI Express没有沿用传统的共享式结构,它采用点对点工作模式(Peer to Peer,也被简称为P2P),每个PCI Express设备都有自己的专用连接,这样就无需向整条总线申请带宽,避免多个设备争抢带宽的糟糕情形发生,而此种情况在共享架构的PCI系统中司空见惯。

    由于工作频率高达2.5GHz,最基本的PCI Express总线可提供的单向带宽便达到250MBps(2.5Gbps×1 B/8bit×8b/10b=250MBps),再考虑全双工运作,该总线的总带宽达到500MBps—这仅仅是最基本的PCI Express ×1模式。如果使用两个通道捆绑的×2模式,PCI Express便可提供1GBps的有效数据带宽。依此类推,PCI Express ×4、×8和×16模式的有效数据传输速率分别达到2GBps、4GBps和8GBps。这与PCI总线可怜的共享式133MBps速率形成极其鲜明的对比,更何况这些都还是每个PCI Express可独自占用的带宽。

    PCI Express 1.0标准推出之后,实用化开发也随之启动。2004年6月,英特尔推出完全基于PCI Express设计的i915/925x系列芯片组,而nVIDIA和ATI两家显卡厂商也都在第一时间推出采用PCI Express ×16接口的显卡,PCI Express时代正式来临。不久以后,nVIDIA、VIA、SiS、ATI、Uli等芯片组厂商也都纷纷推出新一代PCI Express芯片组,移动平台也进入PCI Express时代。PCI Express取代PCI的运动开展得如火如荼,这也是我们今天看到的情况。

美国国际贸易委员会就趋势科技起诉 Fortinet侵权一案下达最终裁决 十二月 6, 2005

Posted by wansion in 新闻与政治.
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美国国际贸易委员会就趋势科技起诉 Fortinet侵权一案下达最终裁决
类型:无 作者:中关村在线报道 日期:2005-09-15 09:18:43
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  继几年前赛门铁克和McAfee败诉后,Fortinet公司再次被认定侵犯趋势科技专利权,并禁止其在美国境内销售FortiGate产品

  美国加利福尼亚库珀蒂诺——网络防病毒与互联网内容安全软件与服务领域的领导者趋势科技(东京证交所代码:4704;纳斯达克代码:TMIC)宣布,美国国际贸易委员会近日就趋势科技起诉Fortinet侵权一案做出最终裁决――判定位于加利福尼亚Sunnyvale的Fortinet公司(中文名飞塔)网关产品侵犯趋势科技公司专利权,下令停止其在美国境内宣传、经销、进口并销售其FortiGate产品。这是继1998年4月和2000年5月趋势科技对赛门铁克和McAfee侵权胜诉后,再次通过法律手段维护了趋势科技网关防病毒技术专利权。

  最终裁决与国际贸易委员会五月份的初步决定相一致,当时经过六天的审判之后,委员会裁定Fortinet的FortiGate网关应用产品侵犯了趋势科技在美国的5,623,600号专利。该专利技术可在数据到达客户端计算机之前在诸如网关或应用等服务器端对病毒进行扫描。

  国际贸易委员会的命令有待美国总统在裁决后60日内进行审查,期间Fortinet必须为其所有在美国进口或销售的侵权产品的申报价值提供 100%的保证。60天的行政审查期之后,Fortinet及其渠道将被禁止在美国出售所有FortiGate产品。更多关于最终裁决的资料,请访问 http://www.usitc.gov。

  趋势科技是首家将防病毒保护从桌面延伸到网关以及服务器的公司,其网关专利是由公司首席执行官陈怡桦于1997年与他人共同发明的,趋势科技多年来保护并发展了这些至关重要的先进技术。

  “国际贸易委员会的裁决进一步验证了600号专利的实力,突出了这项重要技术对客户以及该行业的长久价值”,趋势科技公司副总裁兼总顾问Carolyn Bostick表示:“此次官司的胜利也肯定了趋势科技作为行业创新者的作用。”