home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #30 / NN_1992_30.iso / spool / comp / arch / 11662 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-12-15  |  14.6 KB  |  329 lines

  1. Newsgroups: comp.arch
  2. Path: sparky!uunet!europa.asd.contel.com!howland.reston.ans.net!usc!cs.utexas.edu!wotan.compaq.com!twisto.eng.hou.compaq.com!croatia.eng.hou.compaq.com!simonich
  3. From: simonich@croatia.eng.hou.compaq.com (Chris Simonich)
  4. Subject: COMPAQ PROPOSED SCALABLE I/O ARCHITECTURE
  5. Message-ID: <1992Dec8.002755.3827@twisto.eng.hou.compaq.com>
  6. Keywords: Bus, I/O, Point-to-Point, High Performance, Low Cost
  7. Sender: news@twisto.eng.hou.compaq.com (Netnews Account)
  8. Organization: Compaq Computer Corp.
  9. Date: Tue, 8 Dec 1992 00:27:55 GMT
  10. Lines: 317
  11.  
  12. ************************************************************
  13. *                                                          *
  14. *               COMPAQ COMPUTER CORPORATION                *
  15. *                                                          *
  16. *              STRATEGIC TECHNOLOGY DEVELOPMENT            *
  17. *                                                          *
  18. *   We're sick of beating our heads against the wall       *
  19. *   trying to expand the performance of I/O busses. Let's  *
  20. *   face it, busses are just not a long term solution for  *
  21. *   high performance computer solutions.   So here is an   *
  22. *   alternative to PCMCIA, PCI, MCA, EISA, ISA, etc.       *
  23. *   for use in future computers                            *
  24. *                                                          *
  25. *                                                          *
  26. *  Note:  Compaq is presenting this solution at the        *
  27. *  CardBus committee meeting in Deerfield Beach, Florida,  *
  28. *  on 12/7/92 for possible adoption as the CardBus         *
  29. *  standard.                                               *
  30. *                                                          *
  31. ************************************************************
  32.  
  33. Our proposed I/O solution is
  34.     - hierarchical 
  35.     - point-to-point
  36.     - low cost
  37.     - scaleable
  38.     - high performance
  39.     - processor & endian independent
  40.     - channel I/O architecture
  41.  
  42. In short, NOT YET-ANOTHER SHARED, WIDE BUS!!!
  43.  
  44.  
  45.                   CPU        memory
  46.                    |___________|
  47.                          |
  48.                        MIOC
  49.                        /  \
  50.                      IOC  dev3
  51.                      / \
  52.                  dev1  dev2
  53.  
  54.                       Figure-1
  55.  
  56. The basic I/O subsystem [figure-1] consists of a "main" I/O 
  57. concentrator (MIOC) which interfaces the I/O architecture to 
  58. any CPU/Memory architecture.  One or more point-to-point 
  59. channels propagate in a hierarchical manner from the MIOC to 
  60. the devices.  One such device is an I/O Concentrator (IOC) 
  61. which allows the bandwidth of a single point-to-point 
  62. channel to be shared amongst several devices.  Other devices 
  63. might include network interfaces, graphics, SCSI, etc.  You 
  64. may optionally allow a few low bandwidth devices to share 
  65. the same channel under a controlled environment.
  66.  
  67. An interconnection channel consists of an upstream port 
  68. (residing in either an MIOC or IOC), the physical 
  69. connection, and a downstream port (a device).  The physical 
  70. channel consists of 12 signals:
  71.     -  a 50 MHz synchronizing clock
  72.     -  two handshake signals
  73.     -  eight data bits
  74.     -  a parity bit
  75.  
  76. The small number of signals reduces the pin requirements for 
  77. interface ASICs and physical size of adapters/connectors, 
  78. reducing the cost of implementation.  Because all data 
  79. transfers in byte wide quantities and in increasing address 
  80. order, the solution transfers in a non-endian specific 
  81. manner.  Also note that the channel pin-out is NOT a 
  82. derivative of any particular CPU chip's memory interface 
  83. signals, allowing the solution to be connected independent 
  84. of CPU architecture.
  85.  
  86. The proposed solution minimizes "out-of-band" signals.  All 
  87. operations within the I/P subsystem are carried out via 
  88. packets.  Even the synchronizing clock is propagated from 
  89. the MIOC to devices through IOCs.  In other words, the 
  90. channel clock is redistributed in every IOC and each 
  91. channel's timing is independent from all other channels.  
  92. This virtually eliminates clock skew problems common in 
  93. today's systems.
  94.  
  95. The standard data transfer rate on a channel is 50 
  96. MBytes/sec (MBPS) and the upper bound will be limited by the 
  97. physical environment of the channel.  For example, a current 
  98. high performance implemention with GTL drivers and receivers 
  99. could yield a transfer rate of 200 MBPS.
  100.  
  101. Two ports on a channel "agree" on a transfer rate during the 
  102. initialization.  Each port multiplies the 50 MHz channel 
  103. clock to generate internal clocks to operate at the agreed 
  104. transfer rate.
  105.  
  106. Operations occur using packet-based commands that flow 
  107. through the channels.  Each packet generally contains four 
  108. fields
  109.     - command (Read, Write, Error, Extensions/Interrupts,
  110.                etc.)
  111.     - size (data amount transferred)
  112.     - address
  113.     - data
  114.  
  115. Only the command field is mandatory.  All ports are 
  116. responsible for some encoding and decoding of packets.  Note 
  117. that only one packet at a time can be transferred on a 
  118. channel.  This means that there will be times that the 
  119. devices cannot send or receive when an IOC upstream port is 
  120. busy.  The handshaking protocol allows the ports to perform 
  121. conflict resolution to clear space for a transfer.  
  122.  
  123. The proposed solution is designed to allow the CPU to 
  124. directly read and write MIOC, IOC, and device registers in a 
  125. programmed I/O manner.  However, the architecture 
  126. particularly lends itself to Command List Processing Master 
  127. devices.  These entities run device specific command 
  128. contexts placed in system memory that define their 
  129. operation.  This potentially frees the main CPU to perform 
  130. other operations.
  131.  
  132. ************************************************************
  133. *                                                          *
  134. *  So, what do you think?  We are interested in making     *
  135. *  this an open Industry Standard.  As such, you may       *
  136. *  request further information, give us your comments,     *
  137. *  or ask questions.                                       *
  138. *                                                          *
  139. *                                                          *
  140. *  Contact:                                                *
  141. *                                                          *
  142. *   David Wooten, Manager, Strategic Technology Development*
  143. *                          Compaq Computer Corporation     *
  144. *                                                          *
  145. *   EMAIL: davidw@twisto.compaq.com                        *
  146. *   Phone: (713)378-7231                                   *
  147. *   Fax:   (713)374-2580                                   *
  148. *                                                          *
  149. *                                                          *
  150. *                                                          *
  151. *  CONTINUE READING IF YOU'RE INTERESTED IN WHY WE SPENT   *
  152. *  TIME DEVELOPING THIS CONCEPT!!!                         *
  153. *                                                          *
  154. ************************************************************
  155.  
  156. The question we asked ourselves was how can one build an I/O 
  157. subsystem that is high performance, easy to interface, easy 
  158. to expand, and inexpensive?
  159.  
  160. A wide, shared bus is not the solution due to its inherent 
  161. limitations, such as distributed capacitance, one-at-a-time 
  162. transmit, and high pin count for the mother board and add-in 
  163. cards.
  164.  
  165. In the past, shared bus architectures made sense because of 
  166. the widespread use of TTL technology and the high cost and 
  167. low integration of silicon.  The PC architecture that 
  168. started almost a decade ago with a single, shared, 8-bit 
  169. memory-I/O bus that became known as "ISA", has evolved into 
  170. many variants due to the ever escalating performance 
  171. requirements of x86 based CPU systems.  This phenomena is 
  172. also seen in other architectures based on CPUs other than 
  173. the x86.
  174.  
  175. One of the first changes in PC evolution was to move the CPU 
  176. and the memory to a faster proprietary local bus when the 
  177. ISA bus became a bottleneck.  The I/O data bus was widened 
  178. to 16-bits and then to 32-bits to provide higher bandwidth 
  179. for some devices.  There were two PC "wide-bus" solutions: 
  180. EISA, a super-set of ISA for backward compatibility, and 
  181. Micro Channel (MCA).
  182.  
  183. As a tradeoff for the high bandwidth, the system and the 
  184. add-in cards for the wide I/O buses became more expensive 
  185. than comparable ISA solutions.  However, even with the 
  186. presence of high bandwidth busses, ISA provided bandwidth 
  187. adequate for the majority of devices.  As a result, board 
  188. vendors continue to build boards for ISA because of the 
  189. larger available market.  ISA cards could be sold into ISA 
  190. systems and EISA systems, while EISA cards were limited to 
  191. EISA systems only.  More recently, higher resolution color 
  192. graphics and video applications have become popular for PCs.  
  193. The bandwidth demands for the graphics/video devices are too 
  194. large for even EISA and MCA.
  195.  
  196. To correct this deficiency, several system OEMs have moved 
  197. graphics onto high-bandwidth proprietary local busses.  As 
  198. the practice of moving faster devices onto the local bus 
  199. became common, there was a need for a standard.  Currently, 
  200. there are two local bus standard proposals, namely, PCI (by 
  201. Intel) and VL-Bus (by VESA).
  202.  
  203. Existing processors do not have a PCI bus and future 
  204. processors will not directly support the VL-Bus.  Besides, 
  205. PCI and VL have limited plug-in (card) support.  
  206. Consequently, PC systems utilizing PCI or VL may have 
  207. multiple layers of buses (CPU bus, local bus, standard I/O 
  208. bus) and IC bridges to interface between different bus 
  209. protocols.  All of this leads to higher system and add-in 
  210. board costs.  Chip and board vendors also need to choose 
  211. between many different interfaces and form-factors to 
  212. support a wide range of system types.
  213.  
  214. Worse yet, both PCI and VL busses will very likely try to 
  215. satisfy future needs, such as higher bandwidth and 3.3V 
  216. technology, by _changing_ the physical layer.  Examples 
  217. might include: a wider (64-bit) bus once 32-bits runs out of 
  218. steam, and a different driver/receiver technology for higher 
  219. frequencies.  Protocols might also have to change and many 
  220. of these changes will render today's PCI and VL devices 
  221. incompatible (PCI does have a compatible transition to 64-
  222. bits).
  223.  
  224. Neither PCI nor VL support plug-and-play and ease-of-use 
  225. features.  Depending on implementation, PCMCIA does not 
  226. support hot-swap and may not offer enough performance for 
  227. some applications.  A PCMCIA sub-committee was created to 
  228. come up with a PCMCIA super-set called CardBus.  As 
  229. mentioned earlier, most board vendors made ISA-based cards 
  230. rather than EISA-based for cost reasons and larger market 
  231. share (both ISA and EISA systems).  CardBus will likely 
  232. follow the EISA "pattern" if CardBus is a super-set of 
  233. PCMCIA, i.e., a wider, more expensive 32-bit bus and 
  234. backward compatible for exactly the same reasons previously 
  235. stated.
  236.  
  237. To summarize: the PC industry has tried several times to 
  238. solve increasingly higher performance I/O requirements by 
  239. utilizing a multitude of wide, shared buses.  Most solutions 
  240. did not last long because they were not scaleable and they 
  241. were EXPENSIVE.  As a result most PC users continue to buy 
  242. cheap and reasonable performance ISA systems.  What the 
  243. computer industry needs is a solution that:
  244.  
  245. (a) solves today's problems (performance, expansion,
  246.     ease-of-use) in a cost effective manner AND
  247. (b) offers a migration path for those who want it AND
  248. (c) will provide longevity AND
  249. (d) is processor independent.
  250.  
  251. Our proposed solution can offer these properties!
  252.  
  253. ************************************************************
  254. *                                                          *
  255. *   To summarize the major Features:                       *
  256. *                                                          *
  257. ************************************************************
  258.  
  259.      The proposed solution is scaleable in multiple 
  260. dimensions: performance, expandability and cost.
  261.  
  262. For performance:
  263. (a) the CPU-memory bandwidth is decoupled from the slower 
  264. device latencies,
  265. (b) point-to-point minimizes the physical constraints and 
  266. GTL enables higher signal rates than TTL,
  267.  
  268. For expandability:
  269. (c) virtually unlimited number of devices can be connected 
  270. on-board or off-connectors,
  271. (d) expansion can also be made in external boxes via a small 
  272. pin-count robust protocol (e.g., a fast serial link)
  273. (e) hot plug-and-play,
  274.  
  275. For cost:
  276. (f) small packages/connectors/boards and high integration 
  277. can be achieved because of the small number of pins to 
  278. interface,
  279. (g) the number of PCB layers is minimized because of "clean" 
  280. layout and no long traces (even in the case of bussing, 
  281. the fanouts are fairly short),
  282. (h) development cost is reduced by utilizing common 
  283. functional blocks (e.g., state machines, FIFOs),
  284. (i) time-to-market can be reduced by integrating common 
  285. parts,
  286. (j) common parts for a wide range of systems enable large 
  287. volume, fewer inventory part types and consistent 
  288. test/manufacturing techniques,
  289.  
  290. For compatibility:
  291. (k) standard I/Os such as ROM and keyboards can be tapped 
  292. off of an MIOC or IOC,
  293. (l) existing standard buses (e.g., ISA, PCMCIA) can also be 
  294. implemented off MIOC or IOC as a migration path, and
  295. (m) Existing application software and operating systems will
  296.     be compatible with some driver updates.
  297.  
  298. For Longevity:
  299. (n) since devices are processor neutral they can be reused 
  300. in future systems.
  301. (o) the same I/O subsystem or architecture can be used in a 
  302. family of products (portables, desktops, workstations, 
  303. servers)
  304. (p) the same device can be used for different transfer rates 
  305. without changing the physical interface,
  306. (q) changing a device interface in the future on a channel 
  307. does not affect the rest of the devices [we call this 
  308. "damage control"]
  309.  
  310. ************************************************************
  311. *                                                          *
  312. *   Thanks for reviewing our thoughts!  Feel free to       *
  313. *   to contact us for more information, we're here to      *
  314. *   help!!!                                                *
  315. *                                                          *
  316. *  Comments???  Send to:                                   *
  317. *                                                          *
  318. *   David Wooten: Manager, Strategic Technology Development*
  319. *                         Compaq Computer Corporation      *
  320. *   EMAIL: davidw@twisto.compaq.com                        *
  321. *   Phone: (713)378-7231                                   *
  322. *   Fax:   (713)374-2580                                   *
  323. *                                                          *
  324. *                                                          *
  325. *   Happy Holidays from Strat Tech Dev...                  *
  326. *                                                          *
  327. ************************************************************
  328.  
  329.