pci总线

　　PCI定义

　　PCI总线特点

　　PCI即PeripheralComponentInterconnect，中文意思是“外围器件互联”，是由PCISIG(PCISpecialInterestGroup)推出的一种局部并行总线标准。PCI总线是由ISA(IndustyStandardArchitecture)总线发展而来的，ISA并行总线有8位和16位两种模式，时钟频率为8MHz，工作频率为33MHz/66MHz。是一种同步的独立于处理器的32位或64位局部总线。从结构上看，PCI是在CPU的供应商和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。从1992年创立规范到如今，PCI总线已成为了计算机的一种标准总线。已成为局部总线的新标准，广泛用于当前高档微机、工作站，以及便携式微机。主要用于连接显示卡、网卡、声卡。PCI总线是32位同步复用总线。其地址和数据线引脚是AD31～AD0。PCI的工作频率为33MHz。

　　PCI总线结构

　　PCI总线是一种树型结构，并且独立于CPU总线，可以和CPU总线并行操作。PCI总线上可以挂接PCI设备和PCI桥片，PCI总线上只允许有一个PCI主设备，其他的均为PCI从设备，而且读写操作只能在主从设备之间进行，从设备之间的数据交换需要通过主设备中转。[1]PCI总线结构如下图所示。

　　在处理器系统中，含有PCI总线和PCI总线树这两个概念。这两个概念并不相同，在一颗PCI总线树中可能具有多条PCI总线，而具有血缘关系的PCI总线组成一颗PCI总线树。PCI总线由HOST主桥或者PCI桥管理，用来连接各类设备，如声卡、网卡和IDE接口卡等。在一个处理器系统中，可以通过PCI桥扩展PCI总线，并形成具有血缘关系的多级PCI总线，从而形成PCI总线树型结构。在处理器系统中有几个HOST主桥，就有几颗这样的PCI总线树，而每一颗PCI总线树都与一个PCI总线域对应。

　　与HOST主桥直接连接的PCI总线通常被命名为PCI总线0。考虑到在一个处理器系统中可能有多个主桥。

　　PCI总线取代了早先的ISA总线。当然与在PCI总线后面出现专门用于显卡的AGP总线，与现在的PCIExpress总线相比，功能没有那么强大，但是PCI能从1992用到现在，说明他有许多优点，比如即插即用(PlugandPlay）、中断共享等。在这里我们对PCI总线做一个深入的介绍。

　　从数据宽度上看，PCI总线有32bit、64bit之分；从总线速度上分，有33MHz、66MHz两种。目前流行的是32bit@33MHz，而64bit系统正在普及中。改良的PCI系统，PCI-X，最高可以达到64bit@133MHz，这样就可以得到超过1GB/s的数据传输速率。如果没有特殊说明，以下的讨论以32bit@33MHz为例。

　　不同于ISA总线，PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处是，一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时，由一个PCI设备做发起者（主控，Initiator或Master），而另一个PCI设备做目标（从设备，Target或Slave）。总线上的所有时序的产生与控制，都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构（Arbiter），来决定在谁有权力拿到总线的主控权。

　　当PCI总线进行操作时，发起者（Master）先置REQ#，当得到仲裁器（Arbiter）的许可时（GNT#），会将FRAME#置低，并在AD总线上放置Slave地址，同时C/BE#放置命令信号，说明接下来的传输类型。所有PCI总线上设备都需对此地址译码，被选中的设备要置DEVSEL#以声明自己被选中。然后当IRDY#与TRDY#都置低时，可以传输数据。当Master数据传输结束前，将FRAME#置高以标明只剩最后一组数据要传输，并在传完数据后放开IRDY#以释放总线控制权。

　　这里我们可以看出，PCI总线的传输是很高效的，发出一组地址后，理想状态下可以连续发数据，峰值速率为132MB/s。实际上，目前流行的33M@32bit北桥芯片一般可以做到100MB/s的连续传输。

　　PCI总线特点

　　(1)传输速率高最大数据传输率为132MB/s，当数据宽度升级到64位，数据传输率可达264MB/s。这是其他总线难以比拟的。它大大缓解了数据I/O瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥，适应高速设备数据传输的需要。

　　(2)多总线共存采用PCI总线可在一个系统中让多种总线共存，容纳不同速度的设备一起工作。通过HOST-PCI桥接组件芯片，使CPU总线和PCI总线桥接；通过PCI-ISA/EISA桥接组件芯片，将PCI总线与ISA/EISA总线桥接，构成一个分层次的多总线系统。高速设备从ISA/EISA总线卸下来，移到PCI总线上，低速设备仍可挂在ISA/EISA总线上，继承原有资源，扩大了系统的兼容性。

　　(3)独立于CPUPCI总线不依附于某一具体处理器，即PCI总线支持多种处理器及将来发展的新处理器，在更改处理器品种时，更换相应的桥接组件即可。

　　(4)自动识别与配置外设用户使用方便。

　　(5)并行操作能力。

　　PCI总线的主要性能

　　(1)总线时钟频率33.3MHz/66.6MHz。

　　(2)总线宽度32位/64位。

　　(3)最大数据传输率132MB/s(264MB/s)。

　　(4)支持64位寻址。

　　(5)适应5V和3.3V电源环境。

　　即插即用的实现

　　所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不象旧的ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。

　　实际的实现远比说起来要复杂。在PCI板卡中，有一组寄存器，叫"配置空间"(ConfigurationSpace），用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。

　　以内存地址为例。当上电时，板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要跟据这个信息分配内存，并在分配成功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。

　　中断共享的实现

　　ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的，而我们知道计算机的中断号只有16个，系统又用掉了一些，这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。

　　PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。

　　硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会恢复高电平。

　　软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡A用了中断7，就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR_A；然后系统发现板卡B也用中断7，这时就会将中断7对应的内存区指向ISR_B，同时将ISR_B的结束指向ISR_A。以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7对应的内存，也就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B卡的中断，如果是，要处理，并将板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼叫ISR_A。这样就完成了中断的共享。

　　通过以上讨论，我们不难看出，PCI总线有着极大的的优势。而近年来的市场情况也证实了这一点。

　　总线设备

　　在PCI总线中有三类设备，PCI主设备、PCI从设备和桥设备。其中PCI从设备只能被动地接收来自HOST主桥，或者其他PCI设备的读写请求；而PCI主设备可以通过总线仲裁获得PCI总线的使用权，主动地向其他PCI设备或者主存储器发起存储器读写请求。而桥设备的主要作用是管理下游的PCI总线，并转发上下游总线之间的总线事务。

　　一个PCI设备可以即是主设备也是从设备，但是在同一个时刻，这个PCI设备或者为主设备或者为从设备。PCI总线规范将PCI主从设备统称为PCIAgent设备。在处理器系统中常见的PCI网卡、显卡、声卡等设备都属于PCIAgent设备。

　　在PCI总线中，HOST主桥是一个特殊的PCI设备，该设备可以获取PCI总线的控制权访问PCI设备，也可以被PCI设备访问。但是HOST主桥并不是PCI设备。PCI规范也没有规定如何设计HOST主桥。

　　在PCI总线中，还有一类特殊的设备，即桥设备。桥设备包括PCI桥、PCI-to-(E)ISA桥和PCI-to-Cardbus桥。PCI桥的存在使PCI总线极具扩展性，处理器系统可以使用PCI桥进一步扩展PCI总线。

　　PCI桥的出现使得采用PCI总线进行大规模系统互连成为可能。但是在目前已经实现的大规模处理器系统中，并没有使用PCI总线进行处理器系统与处理器系统之间的大规模互连。因为PCI总线是一个以HOST主桥为根的树型结构，使用主从架构，因而不易实现多处理器系统间的对等互连。

　　即便如此PCI桥仍然是PCI总线规范的精华所在，掌握PCI桥是深入理解PCI体系结构的基础。PCI桥可以连接两条PCI总线，上游PCI总线和下游PCI总线，这两个PCI总线属于同一个PCI总线域，使用PCI桥扩展的所有PCI总线都同属于一个PCI总线域。

　　其中对PCI设备配置空间的访问可以从上游总线转发到下游总线，而数据传送可以双方向进行。在PCI总线中，还存在一种非透明PCI桥，该桥片不是PCI总线规范定义的标准桥片，但是适用于某些特殊应用。

　　主要性能

　　（1）传输速率高最大数据传输率为132MB/s，当数据宽度升级到64位，数据传输率可达264MB/s。这是其他总线难以比拟的。它大大缓解了数据I/O瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥，适应高速设备数据传输的需要。

　　(2)多总线共存采用PCI总线可在一个系统中让多种总线共存，容纳不同速度的设备一起工作。通过HOST-PCI桥接组件芯片，使CPU总线和PCI总线桥接；通过PCI-ISA/EISA桥接组件芯片，将PCI总线与ISA/EISA总线桥接，构成一个分层次的多总线系统。高速设备从ISA/EISA总线卸下来，移到PCI总线上，低速设备仍可挂在ISA/EISA总线上，继承原有资源，扩大了系统的兼容性。

　　(3)独立于CPUPCI总线不依附于某一具体处理器，即PCI总线支持多种处理器及将来发展的新处理器，在更改处理器品种时，更换相应的桥接组件即可。

　　(4)自动识别与配置外设用户使用方便。

　　(5)并行操作能力。

　　PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线是一种高性能局部总线，是为了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中，采用PCI总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。

　　总线特点

　　PCI总线是一种同步的独立于处理器的32位或64位局部总线，最高工作频率为33MHz，峰值速度在32位时为132MB/s，64位时为264MB/s，总线规范由PCISIG发布。ISA总线相比，PCI总线和有如下显著的特点：

　　（1）高速性

　　PCI局部总线以33MHz的时钟频率操作，采用32位数据总线，数据传输速率可高达132MB/s，远超过以往各种总线。而早在1995年6月推出的PCI总线规范2。l已定义了64位、66MHz的PCI总线标准。因此PCI总线完全可为未来的计算机提供更高的数据传送率。另外，PCI总线的主设备（Master）可与微机内存直接交换数据，而不必经过微机CPU中转，也提高了数据传送的效率。

　　（2）即插即用性

　　目前随着计算机技术的发展，微机中留给用户使用的硬件资源越来越少，也越来越含糊不清。在使用ISA板卡时，有两个问题需要解决：一是在同一台微机上使用多个不同厂家、不同型号的板卡时，板卡之间可能会有硬件资源上的冲突；二是板卡所占用的硬件资源可能会与系统硬件资源（如声卡、网卡等）相冲突。而PCI板卡的硬件资源则是由微机根据其各自的要求统一分配，决不会有任何的冲突问题。因此，作为PCI板卡的设计者，不必关心微机的哪些资源可用，哪些资源不可用，也不必关心板卡之间是否会有冲突。因此，即使不

　　考虑PCI总线的高速性，单凭其即插即用性，就比ISA总线优越了许多。

　　（3）可靠性

　　PCI独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。这样用户可以随意增添外围设备，以扩充电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。与原先微机常用的ISA总线相比，PCI总线增加了奇偶校验错（PERR）、系统错（SERR）、从设备结束（STOP）等控制信号及超时处理等可靠性措施，使数据传输的可靠性大为增加。

　　（4）复杂性

　　PCI总线强大的功能大大增加了硬件设计和软件开发的实现难度。硬件上要采用大容量、高速度的CPLD或FPGA芯片来实现PCI总线复杂的功能。软件上则要根据所用的操作系统，用软件工具编制支持即插即用功能酶设备驱动程序。

　　（5）自动配置

　　PCI总线规范规定PCI插卡可以自动配置。PCI定义了3种地址空间：存储器空间，输入输出空间和配置空间，每个PCI设备中都有256字节的配置空间用来存放自动配置信息，当PCI插卡插入系统，BIOS将根据读到的有关该卡的信息，结合系统的实际情况为插卡分配存储地址、中断和某些定时信息。

　　（6）共享中断

　　PCI总线是采用低电平有效方式，多个中断可以共享一条中断线，而ISA总线是边沿触发方式。

　　（7）扩展性好

　　如果需要把许多设备连接到PCI总线上，而总线驱动能力不足时，可以采用多级PCI总线，这些总线上均可以并发工作，每个总线上均可挂接若干设备。因此PCI总线结构的扩展性是非常好的。由于PCI的设计是要辅助现有的扩展总线标准，因此与ISA，EISA及MCA总线完全兼容。

　　（8）多路复用

　　在PCI总线中为了优化设计采用了地址线和数据线共用一组物理线路，即多路复用。PCI接插件尺寸小，又采用了多路复用技术，减少了元件和管脚个数，提高了效率。

　　（9）严格规范

　　PCI总线对协议、时序、电气性能、机械性能等指标都有严格的规定，保证了PCI的可靠性和兼容性。由于PCI总线规范十分复杂，其接口的实现就有较高的技术难度。