IT-инфраструктура
Компьютерное железо
22 июня

Шина PCIe: только ли физические ограничения влияют на скорость передачи?

Начну издалека. Прошлой зимой довелось мне делать USB-устройство с ядром, размещаемым в ПЛИС. Само собой, очень мне хотелось проверить реальную пропускную способность этой шины. Ведь в контроллере — там слишком много всего наверчено. Всегда можно сказать, что вот тут внесена задержка, или вон там. В случае же с ПЛИС — я вижу блок, прокачивающий данные, вот он сказал мне, что в нём данные есть. А вот я выставил, что всё обработано, и я готов принимать новую порцию (при этом, он уже принимает данные во второй буфер этой же конечной точки). Отлично, ставим готовность с первого же такта и смотрим, что получается, когда USB может «молотить» без остановки.



А получается удивительная вещь. Если USB 2.0 устройство воткнуто в «голубенький» разъём (это который USB 3.0), то скорость получается одна. Если в «чёрненький» — другая. Вот мой график зависимости скорости записи в USB от длины передаваемых данных. USB3 и USB2 — это тип разъёма, устройство всегда USB 2.0 HS.



Я пробовал в разных машинах. Результат — близок. Никто не мог объяснить мне этот феномен. Уже потом я нашёл наиболее вероятную причину. А причина очень проста. Вот свойства контроллера USB 2.0:



У контроллеров, управляющих «голубеньким» разъёмом такого нет. А разница — как раз примерно процентов 20.

Из этого мы делаем вывод, что не всегда ограничения пропускной способности определяются физическими свойствами шины. Иногда накладываются ещё какие-то вещи. Переходим с этими знаниями в наши дни.

Первичный эксперимент


Итак. Всё начиналось весьма буднично. Шла проверка одной программы. Проверялся процесс записи данных одновременно на несколько дисков. Аппаратура простая: имеется материнская плата с четырьмя PCIe-слотами. Во все слоты воткнуты совершенно одинаковые карточки с AHCI-контроллерами, каждый из которых поддерживает исключительно PCIe x1.



Каждая карта обслуживает 4 накопителя.
И вот выясняется следующий эффект. Берём один диск и начинаем записывать на него данные. Получаем скорость от 180 до 220 мегабайт в секунду (здесь и далее, мегабайт — это 1024*1024 байт):



Берём второй накопитель. Скорость записи на него — от 170 до 190 МБ/с:



Пишем сразу на оба — получаем просадку скорости:



Суммарная скорость получается в районе 290 МБ/с. Но удивительность состоит в том, что отлаживали (так получилось) эту программу мы на тех же накопителях, но на других каналах. И там всё было хорошо. Быстро перетыкаем в те каналы (они будут идти через другую карту), получаем прекрасную работу:



Куплю слот в хорошем районе


Сразу скажу, что винить во всём какие-то чужие компоненты не стоит. Здесь всё написано нами, начиная от самой программы, заканчивая драйверами. Так что весь путь прохождения данных может быть проконтролирован. Неизвестность наступает только когда запрос ушёл в аппаратуру.

После первичного разбора выяснилось, что скорость не ограничивается в «длинных» слотах PCIe и ограничивается в «коротких». Длинные — это куда можно вставить карты x16 (правда, один из них работает в режиме не выше x4), а короткие — только для карт x1.



Всё бы ничего, но контроллеры в текущих картах в принципе не могут работать в режиме, отличном от PCIex1. То есть, все контроллеры должны быть в абсолютно идентичных условиях, независимо от длины слота! Ан нет. Кто живёт в «длинном» — работает быстро, кто в «коротком» — медленно. Хорошо. А быстро — насколько быстро? Добавляем третий накопитель, пишем на все три.

В «коротких» слотах ограничение всё ещё в районе 290 МБ/с:



В «длинных» — в районе 400 МБ/с:





Я перерыл весь Интернет. Во-первых, через некоторое время я уже смеялся со статей, где говорится о том, что пропускная способность PCIe gen 1 и gen 2 для x1 составляет 250 и 500 МБ/с. Это «сырые» мегабайты. За счёт оверхеда (я использую это нерусское слово, чтобы обозначить служебный обмен, идущий по тем же линиям, что и основные данные) для gen 2 получается именно 400 мегабайт в секунду полезного потока. Во-вторых, я упорно не мог найти ничего про магическую цифру 290 (забегая вперёд — до сих пор не нашёл).

Отлично. Пытаемся глянуть на топологию включения наших контроллеров. Вот она (013-015 — это суффиксы имён устройств, по которым я сопоставил их, чтобы как-то различать). Зелёные —быстрые, красные — медленные.



Контроллер «015» мы даже не рассматриваем. Он живёт в привилегированном слоте, предназначенном для видеокарты. Но 013-й подключён к тому же коммутатору, что и 012-й с 014-м. Чем он отличается?

Отдельные статьи говорят, что разные карты могут отличаться параметрами Max Payload. Я изучил конфигурационное пространство всех карт — этот параметр стоит у всех в одном и том же, минимально возможном значении. Мало того, в документации на чипсет этой материнки сказано, что иного значения и быть не может.



В общем, я перерыл всё в конфигурационном пространстве — всё настроено идентично. А скорость разная! Многократно перечитал документацию на чипсет — никаких настроек пропускной способности. Приоритеты — да, что-то про них написано, но тесты же ведутся при полном отсутствии нагрузки по другим каналам! То есть дело не в них.

На всякий случай, я даже отключил работу программы по прерываниям. Нагрузка на процессор возросла до безумных величин, ведь теперь он постоянно тупо читает бит готовности, но показания скорости не изменились. Так что обвинить в проблемах эту подсистему тоже нельзя.

А что там у других плат?


Попробовали поменять материнскую плату на точно такую же. Никаких изменений. Попробовали заменить процессор (были основания считать, что он барахлит). Тоже никаких изменений скорости (но старый процессор и правда барахлил). Поставили материнскую плату более нового поколения — всё просто летает на всех слотах. Причём предельная скорость уже не 400, а 418 мегабайт в секунду, хоть в «длинных», хоть в «коротких» слотах:



Но здесь — никаких чудес. Привычным движением руки (за эти дни уже привык) считываем конфигурационное пространство и видим, что параметр Max Payload установлен не на 128, а на 256 байт.

Больше размер пакета — меньше количество пакетов. Меньше оверхед на их пересылку — больше полезных данных успевает пробежать за то же время. Всё верно.

Так кто же виноват?


Точного ответа на вопрос из заголовка, со ссылкой на документы, я не дам. Но мысль моя пошла по следующему пути: допустим, что ограничение потока задано внутри чипсета. Его нельзя программировать, оно задано намертво, но оно есть. Например, оно равно 290 мегабайт в секунду на каждую дифф. пару. Больше — режется уже где-то внутри чипсета на его внутренних механизмах. Поэтому в «длинном» слоте (куда можно воткнуть карты вплоть до x4) внутри чипсета для нашей карты ничего не режется, а мы упираемся в физический предел шины x1. В «коротком» же разъёме мы упираемся в это ограничение.

На самом деле, проверить это не просто, а очень просто. Втыкаем в 013-й слот не AHCI, а SAS-контроллер, который обслуживает сразу 8 накопителей и может работать в режимах PCIe вплоть до x4. Подключаем ему 4 шустрых SSD накопителя. Смотрим скорость записи — аж душа радуется:



Теперь добавляем те 4 диска, которые фигурировали в первых тестах. Скорость работы SSD предсказуемо просела:



Вычисляем суммарную скорость, проходящую через SAS-контроллер, получаем 1175 мегабайт в секунду. Делим на 4 (столько линий идёт в «длинный» слот), получаем… Барабанная дробь… 293 мегабайта в секунду. Где-то я это число уже видел!

Итак, в рамках данного проекта было доказано, что дело не в нашей программе или драйвере, а в странных ограничениях чипсета, которые наверняка «зашиты» намертво. Была выведена методика подбора материнских плат, которые могут быть использованы в проекте. А в целом, выводы делаем следующие.

Заключение


  • Зачастую в реальной жизни аппаратура имеет меньшую производительность, чем теоретически возможная. Ограничения могут накладываться даже драйверами, как показано в случае USB. Иногда удаётся подобрать такую аппаратуру, которая (или драйверы которой) не имеет таких ограничений.
  • Ограничения могут быть даже недокументированными, но чётко выраженными.
  • Масса статей, в которых говорится, что одна дифференциальная пара PCIe gen. 1 и gen 2 даёт примерно 250 и 500 мегабайт в секунду, ошибочны. Они копируют друг у друга одну и ту же ошибку — мегабайт «сырых» данных в секунду. Оверхед накапливается на нескольких уровнях интерфейса. При Max Payload 128 байт, на PCIe gen2 реально получается около 400 мегабайт в секунду. В более новых поколениях PCIe всё должно быть чуть лучше, так как там физическое кодирование не 8b/10b, а более экономичное, но пока не найдено ни одного контроллера дисков, на которых можно было бы проверить это на практике.
+85
26k 90
Комментарии 77