pci總線

　　PCI定義

　　PCI總線特點

　　PCI即PeripheralComponentInterconnect，中文意思是“外圍器件互聯(lián)”，是由PCISIG(PCISpecialInterestGroup)推出的一種局部并行總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線是由ISA(IndustyStandardArchitecture)總線發(fā)展而來的，ISA并行總線有8位和16位兩種模式，時鐘頻率為8MHz，工作頻率為33MHz/66MHz。是一種同步的獨立于處理器的32位或64位局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU的供應(yīng)商和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。從1992年創(chuàng)立規(guī)范到如今，PCI總線已成為了計算機的一種標(biāo)準(zhǔn)總線。已成為局部總線的新標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于當(dāng)前高檔微機、工作站，以及便攜式微機。主要用于連接顯示卡、網(wǎng)卡、聲卡。PCI總線是32位同步復(fù)用總線。其地址和數(shù)據(jù)線引腳是AD31～AD0。PCI的工作頻率為33MHz。

　　PCI總線結(jié)構(gòu)

　　PCI總線是一種樹型結(jié)構(gòu)，并且獨立于CPU總線，可以和CPU總線并行操作。PCI總線上可以掛接PCI設(shè)備和PCI橋片，PCI總線上只允許有一個PCI主設(shè)備，其他的均為PCI從設(shè)備，而且讀寫操作只能在主從設(shè)備之間進行，從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換需要通過主設(shè)備中轉(zhuǎn)。[1]PCI總線結(jié)構(gòu)如下圖所示。

　　在處理器系統(tǒng)中，含有PCI總線和PCI總線樹這兩個概念。這兩個概念并不相同，在一顆PCI總線樹中可能具有多條PCI總線，而具有血緣關(guān)系的PCI總線組成一顆PCI總線樹。PCI總線由HOST主橋或者PCI橋管理，用來連接各類設(shè)備，如聲卡、網(wǎng)卡和IDE接口卡等。在一個處理器系統(tǒng)中，可以通過PCI橋擴展PCI總線，并形成具有血緣關(guān)系的多級PCI總線，從而形成PCI總線樹型結(jié)構(gòu)。在處理器系統(tǒng)中有幾個HOST主橋，就有幾顆這樣的PCI總線樹，而每一顆PCI總線樹都與一個PCI總線域?qū)?yīng)。

　　與HOST主橋直接連接的PCI總線通常被命名為PCI總線0。考慮到在一個處理器系統(tǒng)中可能有多個主橋。

　　PCI總線取代了早先的ISA總線。當(dāng)然與在PCI總線后面出現(xiàn)專門用于顯卡的AGP總線，與現(xiàn)在的PCIExpress總線相比，功能沒有那么強大，但是PCI能從1992用到現(xiàn)在，說明他有許多優(yōu)點，比如即插即用(PlugandPlay）、中斷共享等。在這里我們對PCI總線做一個深入的介紹。

　　從數(shù)據(jù)寬度上看，PCI總線有32bit、64bit之分；從總線速度上分，有33MHz、66MHz兩種。目前流行的是32bit@33MHz，而64bit系統(tǒng)正在普及中。改良的PCI系統(tǒng)，PCI-X，最高可以達到64bit@133MHz，這樣就可以得到超過1GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果沒有特殊說明，以下的討論以32bit@33MHz為例。

　　不同于ISA總線，PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時復(fù)用的。這樣做的好處是，一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時，由一個PCI設(shè)備做發(fā)起者（主控，Initiator或Master），而另一個PCI設(shè)備做目標(biāo)（從設(shè)備，Target或Slave）。總線上的所有時序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時刻只能供一對設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機構(gòu)（Arbiter），來決定在誰有權(quán)力拿到總線的主控權(quán)。

　　當(dāng)PCI總線進行操作時，發(fā)起者（Master）先置REQ#，當(dāng)?shù)玫街俨闷鳎ˋrbiter）的許可時（GNT#），會將FRAME#置低，并在AD總線上放置Slave地址，同時C/BE#放置命令信號，說明接下來的傳輸類型。所有PCI總線上設(shè)備都需對此地址譯碼，被選中的設(shè)備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然后當(dāng)IRDY#與TRDY#都置低時，可以傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)Master數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，將FRAME#置高以標(biāo)明只剩最后一組數(shù)據(jù)要傳輸，并在傳完數(shù)據(jù)后放開IRDY#以釋放總線控制權(quán)。

　　這里我們可以看出，PCI總線的傳輸是很高效的，發(fā)出一組地址后，理想狀態(tài)下可以連續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)，峰值速率為132MB/s。實際上，目前流行的33M@32bit北橋芯片一般可以做到100MB/s的連續(xù)傳輸。

　　PCI總線特點

　　(1)傳輸速率高最大數(shù)據(jù)傳輸率為132MB/s，當(dāng)數(shù)據(jù)寬度升級到64位，數(shù)據(jù)傳輸率可達264MB/s。這是其他總線難以比擬的。它大大緩解了數(shù)據(jù)I/O瓶頸，使高性能CPU的功能得以充分發(fā)揮，適應(yīng)高速設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

　　(2)多總線共存采用PCI總線可在一個系統(tǒng)中讓多種總線共存，容納不同速度的設(shè)備一起工作。通過HOST-PCI橋接組件芯片，使CPU總線和PCI總線橋接；通過PCI-ISA/EISA橋接組件芯片，將PCI總線與ISA/EISA總線橋接，構(gòu)成一個分層次的多總線系統(tǒng)。高速設(shè)備從ISA/EISA總線卸下來，移到PCI總線上，低速設(shè)備仍可掛在ISA/EISA總線上，繼承原有資源，擴大了系統(tǒng)的兼容性。

　　(3)獨立于CPUPCI總線不依附于某一具體處理器，即PCI總線支持多種處理器及將來發(fā)展的新處理器，在更改處理器品種時，更換相應(yīng)的橋接組件即可。

　　(4)自動識別與配置外設(shè)用戶使用方便。

　　(5)并行操作能力。

　　PCI總線的主要性能

　　(1)總線時鐘頻率33.3MHz/66.6MHz。

　　(2)總線寬度32位/64位。

　　(3)最大數(shù)據(jù)傳輸率132MB/s(264MB/s)。

　　(4)支持64位尋址。

　　(5)適應(yīng)5V和3.3V電源環(huán)境。

　　即插即用的實現(xiàn)

　　所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時，系統(tǒng)會自動對板卡所需資源進行分配，如基地址、中斷號等，并自動尋找相應(yīng)的驅(qū)動程序。而不象舊的ISA板卡，需要進行復(fù)雜的手動配置。

　　實際的實現(xiàn)遠(yuǎn)比說起來要復(fù)雜。在PCI板卡中，有一組寄存器，叫"配置空間"(ConfigurationSpace），用來存放基地址與內(nèi)存地址，以及中斷等信息。

　　以內(nèi)存地址為例。當(dāng)上電時，板卡從ROM里讀取固定的值放到寄存器中，對應(yīng)內(nèi)存的地方放置的是需要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)等信息。操作系統(tǒng)要跟據(jù)這個信息分配內(nèi)存，并在分配成功后把相應(yīng)的寄存器中填入內(nèi)存的起始地址。這樣就不必手工設(shè)置開關(guān)來分配內(nèi)存或基地址了。對于中斷的分配也與此類似。

　　中斷共享的實現(xiàn)

　　ISA卡的一個重要局限在于中斷是獨占的，而我們知道計算機的中斷號只有16個，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時就會有問題了。

　　PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。

　　硬件上，采用電平觸發(fā)的辦法：中斷信號在系統(tǒng)一側(cè)用電阻接高，而要產(chǎn)生中斷的板卡上利用三極管的集電極將信號拉低。這樣不管有幾塊板產(chǎn)生中斷，中斷信號都是低；而只有當(dāng)所有板卡的中斷都得到處理后，中斷信號才會恢復(fù)高電平。

　　軟件上，采用中斷鏈的方法：假設(shè)系統(tǒng)啟動時，發(fā)現(xiàn)板卡A用了中斷7，就會將中斷7對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向A卡對應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口ISR_A；然后系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)板卡B也用中斷7，這時就會將中斷7對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向ISR_B，同時將ISR_B的結(jié)束指向ISR_A。以此類推，就會形成一個中斷鏈。而當(dāng)有中斷發(fā)生時，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到中斷7對應(yīng)的內(nèi)存，也就是ISR_B。ISR_B就要檢查是不是B卡的中斷，如果是，要處理，并將板卡上的拉低電路放開；如果不是，則呼叫ISR_A。這樣就完成了中斷的共享。

　　通過以上討論，我們不難看出，PCI總線有著極大的的優(yōu)勢。而近年來的市場情況也證實了這一點。

　　總線設(shè)備

　　在PCI總線中有三類設(shè)備，PCI主設(shè)備、PCI從設(shè)備和橋設(shè)備。其中PCI從設(shè)備只能被動地接收來自HOST主橋，或者其他PCI設(shè)備的讀寫請求；而PCI主設(shè)備可以通過總線仲裁獲得PCI總線的使用權(quán)，主動地向其他PCI設(shè)備或者主存儲器發(fā)起存儲器讀寫請求。而橋設(shè)備的主要作用是管理下游的PCI總線，并轉(zhuǎn)發(fā)上下游總線之間的總線事務(wù)。

　　一個PCI設(shè)備可以即是主設(shè)備也是從設(shè)備，但是在同一個時刻，這個PCI設(shè)備或者為主設(shè)備或者為從設(shè)備。PCI總線規(guī)范將PCI主從設(shè)備統(tǒng)稱為PCIAgent設(shè)備。在處理器系統(tǒng)中常見的PCI網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等設(shè)備都屬于PCIAgent設(shè)備。

　　在PCI總線中，HOST主橋是一個特殊的PCI設(shè)備，該設(shè)備可以獲取PCI總線的控制權(quán)訪問PCI設(shè)備，也可以被PCI設(shè)備訪問。但是HOST主橋并不是PCI設(shè)備。PCI規(guī)范也沒有規(guī)定如何設(shè)計HOST主橋。

　　在PCI總線中，還有一類特殊的設(shè)備，即橋設(shè)備。橋設(shè)備包括PCI橋、PCI-to-(E)ISA橋和PCI-to-Cardbus橋。PCI橋的存在使PCI總線極具擴展性，處理器系統(tǒng)可以使用PCI橋進一步擴展PCI總線。

　　PCI橋的出現(xiàn)使得采用PCI總線進行大規(guī)模系統(tǒng)互連成為可能。但是在目前已經(jīng)實現(xiàn)的大規(guī)模處理器系統(tǒng)中，并沒有使用PCI總線進行處理器系統(tǒng)與處理器系統(tǒng)之間的大規(guī)模互連。因為PCI總線是一個以HOST主橋為根的樹型結(jié)構(gòu)，使用主從架構(gòu)，因而不易實現(xiàn)多處理器系統(tǒng)間的對等互連。

　　即便如此PCI橋仍然是PCI總線規(guī)范的精華所在，掌握PCI橋是深入理解PCI體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。PCI橋可以連接兩條PCI總線，上游PCI總線和下游PCI總線，這兩個PCI總線屬于同一個PCI總線域，使用PCI橋擴展的所有PCI總線都同屬于一個PCI總線域。

　　其中對PCI設(shè)備配置空間的訪問可以從上游總線轉(zhuǎn)發(fā)到下游總線，而數(shù)據(jù)傳送可以雙方向進行。在PCI總線中，還存在一種非透明PCI橋，該橋片不是PCI總線規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)橋片，但是適用于某些特殊應(yīng)用。

　　主要性能

　?。?）傳輸速率高最大數(shù)據(jù)傳輸率為132MB/s，當(dāng)數(shù)據(jù)寬度升級到64位，數(shù)據(jù)傳輸率可達264MB/s。這是其他總線難以比擬的。它大大緩解了數(shù)據(jù)I/O瓶頸，使高性能CPU的功能得以充分發(fā)揮，適應(yīng)高速設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

　　(2)多總線共存采用PCI總線可在一個系統(tǒng)中讓多種總線共存，容納不同速度的設(shè)備一起工作。通過HOST-PCI橋接組件芯片，使CPU總線和PCI總線橋接；通過PCI-ISA/EISA橋接組件芯片，將PCI總線與ISA/EISA總線橋接，構(gòu)成一個分層次的多總線系統(tǒng)。高速設(shè)備從ISA/EISA總線卸下來，移到PCI總線上，低速設(shè)備仍可掛在ISA/EISA總線上，繼承原有資源，擴大了系統(tǒng)的兼容性。

　　(3)獨立于CPUPCI總線不依附于某一具體處理器，即PCI總線支持多種處理器及將來發(fā)展的新處理器，在更改處理器品種時，更換相應(yīng)的橋接組件即可。

　　(4)自動識別與配置外設(shè)用戶使用方便。

　　(5)并行操作能力。

　　PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線是一種高性能局部總線，是為了滿足外設(shè)間以及外設(shè)與主機間高速數(shù)據(jù)傳輸而提出來的。在數(shù)字圖形、圖像和語音處理，以及高速實時數(shù)據(jù)采集與處理等對數(shù)據(jù)傳輸率要求較高的應(yīng)用中，采用PCI總線來進行數(shù)據(jù)傳輸，可以解決原有的標(biāo)準(zhǔn)總線數(shù)據(jù)傳輸率低帶來的瓶頸問題。

　　總線特點

　　PCI總線是一種同步的獨立于處理器的32位或64位局部總線，最高工作頻率為33MHz，峰值速度在32位時為132MB/s，64位時為264MB/s，總線規(guī)范由PCISIG發(fā)布。ISA總線相比，PCI總線和有如下顯著的特點：

　?。?）高速性

　　PCI局部總線以33MHz的時鐘頻率操作，采用32位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達132MB/s，遠(yuǎn)超過以往各種總線。而早在1995年6月推出的PCI總線規(guī)范2。l已定義了64位、66MHz的PCI總線標(biāo)準(zhǔn)。因此PCI總線完全可為未來的計算機提供更高的數(shù)據(jù)傳送率。另外，PCI總線的主設(shè)備（Master）可與微機內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)，而不必經(jīng)過微機CPU中轉(zhuǎn)，也提高了數(shù)據(jù)傳送的效率。

　　（2）即插即用性

　　目前隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，微機中留給用戶使用的硬件資源越來越少，也越來越含糊不清。在使用ISA板卡時，有兩個問題需要解決：一是在同一臺微機上使用多個不同廠家、不同型號的板卡時，板卡之間可能會有硬件資源上的沖突；二是板卡所占用的硬件資源可能會與系統(tǒng)硬件資源（如聲卡、網(wǎng)卡等）相沖突。而PCI板卡的硬件資源則是由微機根據(jù)其各自的要求統(tǒng)一分配，決不會有任何的沖突問題。因此，作為PCI板卡的設(shè)計者，不必關(guān)心微機的哪些資源可用，哪些資源不可用，也不必關(guān)心板卡之間是否會有沖突。因此，即使不

　　考慮PCI總線的高速性，單憑其即插即用性，就比ISA總線優(yōu)越了許多。

　?。?）可靠性

　　PCI獨立于處理器的結(jié)構(gòu)，形成一種獨特的中間緩沖器設(shè)計方式，將中央處理器子系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開。這樣用戶可以隨意增添外圍設(shè)備，以擴充電腦系統(tǒng)而不必?fù)?dān)心在不同時鐘頻率下會導(dǎo)致性能的下降。與原先微機常用的ISA總線相比，PCI總線增加了奇偶校驗錯（PERR）、系統(tǒng)錯（SERR）、從設(shè)備結(jié)束（STOP）等控制信號及超時處理等可靠性措施，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃源鬄樵黾印?/p>

　?。?）復(fù)雜性

　　PCI總線強大的功能大大增加了硬件設(shè)計和軟件開發(fā)的實現(xiàn)難度。硬件上要采用大容量、高速度的CPLD或FPGA芯片來實現(xiàn)PCI總線復(fù)雜的功能。軟件上則要根據(jù)所用的操作系統(tǒng)，用軟件工具編制支持即插即用功能酶設(shè)備驅(qū)動程序。

　　（5）自動配置

　　PCI總線規(guī)范規(guī)定PCI插卡可以自動配置。PCI定義了3種地址空間：存儲器空間，輸入輸出空間和配置空間，每個PCI設(shè)備中都有256字節(jié)的配置空間用來存放自動配置信息，當(dāng)PCI插卡插入系統(tǒng)，BIOS將根據(jù)讀到的有關(guān)該卡的信息，結(jié)合系統(tǒng)的實際情況為插卡分配存儲地址、中斷和某些定時信息。

　?。?）共享中斷

　　PCI總線是采用低電平有效方式，多個中斷可以共享一條中斷線，而ISA總線是邊沿觸發(fā)方式。

　　（7）擴展性好

　　如果需要把許多設(shè)備連接到PCI總線上，而總線驅(qū)動能力不足時，可以采用多級PCI總線，這些總線上均可以并發(fā)工作，每個總線上均可掛接若干設(shè)備。因此PCI總線結(jié)構(gòu)的擴展性是非常好的。由于PCI的設(shè)計是要輔助現(xiàn)有的擴展總線標(biāo)準(zhǔn)，因此與ISA，EISA及MCA總線完全兼容。

　?。?）多路復(fù)用

　　在PCI總線中為了優(yōu)化設(shè)計采用了地址線和數(shù)據(jù)線共用一組物理線路，即多路復(fù)用。PCI接插件尺寸小，又采用了多路復(fù)用技術(shù)，減少了元件和管腳個數(shù)，提高了效率。

　?。?）嚴(yán)格規(guī)范

　　PCI總線對協(xié)議、時序、電氣性能、機械性能等指標(biāo)都有嚴(yán)格的規(guī)定，保證了PCI的可靠性和兼容性。由于PCI總線規(guī)范十分復(fù)雜，其接口的實現(xiàn)就有較高的技術(shù)難度。