CPU的快速互联通道(QPI)详解

翻译自：http://www.hardwaresecrets.com/article/Everything-You-Need-to-Know-About-The-QuickPath-Interconnect-QPI/610/1

自Intel有CPU开始，便一直采用的是称之为“前端总线（Front Side Bus, FSB）”的外部总线。前端总线是由内存和I/O共享的一条通往CPU的通道。新一代的Intel 处理器将内置内存控制器，所以该处理器将提供两个通道：连接CPU和内存的内存总线(memory bus)以及连接CPU和I/O的I/O总线。这个新增的I/O总线称之为快速互联通道（QuickPath Interconnect, QPI）。本文中，我们将解释其工作原理。

图1 传统Intel处理器架构

图1给出了传统的Intel处理器架构，图2是处理器内置内存控制器的新一代Intel处理器架构。

图2 新一代Intel处理器架构

事实上，AMD从2003年开始便在Athlon 64 CPU中采用相似的架构了。现在，所有AMD的CPU都已经内置内存控制器了。他们使用称之为HyperTransport总线来实现I/O通信。尽管HyperTransport和QPI目标相同、工作机制也类似，不过他们并不兼容。

顺便一提的是，技术上将QPI和HyperTransport并不能称之为总线而只是点对点连接。总线是指允许多个部件同时连接的一组导线。点对点连接指的是仅仅连接两个部件。尽管技术上称它为总线不太对，为了简便起见和我们还是这么叫吧。

接下来我们谈谈QPI的工作原理，和HyperTransport类似，QPI为CPU和芯片组的连接提供了两个通道(lane)，如图3所示。这样做，可以让CPU同时接收(读)和发送(写)I/O数据，而传统的FSB是不能实现这个目标的。

图3 快速互联通道提供分离的输入输出路径

说到芯片组，Intel将推行单芯片解决方案。因为在CPU中内置内存控制器几乎等价于将北桥内置到CPU中。图3中的Chipset的功能和南桥类似，功能上就像是一个“I/O集线器(I/O Hub)”或者用Intel的行话称之为“IOH”。

每个通道(lane)一次能传输20个比特位，其中16位为实际数据，4位是冗余纠错码(CRC)。QPI第一个版本的工作频率为3.2GHz并能够在一个时钟周期内传输两个数据（即DDR技术），这使得总线工作频率看起来好像是在6.4GHz（Intel使用GT/s为单位，表示十亿次传输/秒）.由于一次可以传输16位，我们可以很容易计算得到一个通道上的数据传输峰值6.4GHzX16bits/8=12.8GB/s。也许有些人说QPI的最大理论峰值为25.6GB/s因为他们考虑两个通道同时提供的带宽。不过我们并不同意这种方法，这就像我们可以说高速公路上限速为130英里每小时因为单向限速为65英里每小时一样毫无意义。

所以和FSB比起来，QPI虽然传输更少的数据但是却可以在更高的频率工作。当前，最快的前端总线频率1600MHz(实际上工作在400MHZ，但是在一个时钟周期内传输四个数据)也能达到12.8GB/s，这和QPI一样快，但是QPI是在每个通道上都提供12.8GB/s。而且FSB要同时传输I/O数据和内存数据，所以QPI可用带宽要更高些。

QPI也比HyperTransport要快。当前HyperTransport能够达到的最大速度为10.4GB/s，但是当前Phenom处理器的只能达到7.2GB/s.所以，Intel Core i7 CPU的外部总线要比AMD的快78%。其他系列的AMD CPU如Athlon， Athlon X2的传输频率更低了，仅能达到4GB/s。

图4 差分对传输

顺着电子传输继续往下走，每个位的传输使用差分对(differential pair)，图4所示。所以，每传输一位都要使用两根导线。QPI的两个通道一共使用了84根导线，这几乎是Intel传统CPU中FSB需要的导线数量的一半。所以，第三个有点便是前端总线可以使用更少的导线（第一个优点使将内存和I/O请求分开，第二个有点是将读写路径通道分开）。

QPI使用了和网络架构中很像的分层技术，一共有四层分别是物理层，链路层，路由层和协议层。

接下来我们看看QPI中引入的高级技术。

功耗模式

如图5所示，QPI提供以下两种功耗模式，分别称之为L0和L0s和L1. L0指的是QPI全速运行时的模式，在L0s状态时，为了节省能耗，数据线和驱动这些线的电路将被关掉。在L1状态时，所有的东西都会被关闭。当然，L1的唤醒时间将更长。

图5 功耗管理

可靠模式

我们提到了QPI的数据路径是20位宽，我们并没有提到的是QPI允许每个通道被设置成4个五位宽的小通道，如图6所示。对于服务器市场环境来说，这种分割方法可以提高可靠性。不过对于桌面环境而言，QPI并不提供这个功能。

当这个功能打开后，如果接收器发现其与发射器之间的连接物理上已经被破坏了，它将关闭已经破坏的部分，然后每次传输更少的位数。这显然会降低数据传输速率，但是至少系统不会崩溃。

图5 可靠模式配置