PCI總線設(shè)備開發(fā)寶典

PCI總線是一種樹型結(jié)構(gòu)，并且獨(dú)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(gè)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(jìn)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)。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(gè)概念。這兩個(gè)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(gè)處理器系統(tǒng)中，可以通過PCI橋擴(kuò)展PCI總線，并形成具有血緣關(guān)系的多級(jí)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(gè)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(gè)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?？紤]到在一個(gè)處理器系統(tǒng)中可能有多個(gè)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PCI Express總線相比，功能沒有那么強(qiáng)大，但是PCI能從1992用到現(xiàn)在，說明他有許多優(yōu)點(diǎn)，比如即插即用(Plug and Play)、中斷共享等。在這里我們對(duì)PCI總線做一個(gè)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(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由一個(gè)PCI設(shè)備做發(fā)起者(主控，Initiator或Master)，而另一個(gè)PCI設(shè)備做目標(biāo)(從設(shè)備，Target或Slave)。總線上的所有時(shí)序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時(shí)刻只能供一對(duì)設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個(gè)仲裁機(jī)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(jìn)行操作時(shí)，發(fā)起者(Master)先置REQ#，當(dāng)?shù)玫街俨闷?Arbiter)的許可時(shí)(GNT#)，會(huì)將FRAME#置低，并在AD總線上放置Slave地址，同時(shí)C/BE#放置命令信號(hào)，說明接下來的傳輸類型。所有PCI總線上設(shè)備都需對(duì)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(shí)，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(shí)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。

(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(jí)到64位，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)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(gè)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(gè)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(kuò)大了系統(tǒng)的兼容性。

(3)獨(dú)立于CPU PCI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(shí)，更換相應(yīng)的橋接組件即可。

(4)自動(dòng)識(shí)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(shí)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。

所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號(hào)等，并自動(dòng)尋找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。而不象舊的ISA板卡，需要進(jìn)行復(fù)雜的手動(dòng)配置。

實(shí)際的實(shí)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"(Configuration Space)，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(shí)，板卡從ROM里讀取固定的值放到寄存器中，對(duì)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(gè)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(duì)于中斷的分配也與此類似。

ISA卡的一個(gè)重要局限在于中斷是獨(dú)占的，而我們知道計(jì)算機(jī)的中斷號(hào)只有16個(gè)，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時(shí)就會(huì)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(hào)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(hào)拉低。這樣不管有幾塊板產(chǎn)生中斷，中斷信號(hào)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(hào)才會(huì)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(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)板卡A用了中斷7，就會(huì)將中斷7對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向A卡對(duì)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(shí)就會(huì)將中斷7對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向ISR_B，同時(shí)將ISR_B的結(jié)束指向ISR_A。以此類推，就會(huì)形成一個(gè)中斷鏈。而當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到中斷7對(duì)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(shì)。而近年來的市場(chǎng)情況也證實(shí)了這一點(diǎn)。

從1992年創(chuàng)立規(guī)范到如今，PCI總線已成為了計(jì)算機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)總線。由PCI總線構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一所示。

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PCI Express總線相比，功能沒有那么強(qiáng)大，但是PCI能從1992用到現(xiàn)在，說明他有許多優(yōu)點(diǎn)，比如即插即用(Plug and Play）、中斷共享等。在這里我們對(duì)PCI總線做一個(gè)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(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由一個(gè)PCI設(shè)備做發(fā)起者（主控，Initiator或Master），而另一個(gè)PCI設(shè)備做目標(biāo)（從設(shè)備，Target或Slave）。總線上的所有時(shí)序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時(shí)刻只能供一對(duì)設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個(gè)仲裁機(jī)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(jìn)行操作時(shí)，發(fā)起者（Master）先置REQ#，當(dāng)?shù)玫街俨闷鳎ˋrbiter）的許可時(shí)（GNT#），會(huì)將FRAME#置低，并在AD總線上放置Slave地址，同時(shí)C/BE#放置命令信號(hào)，說明接下來的傳輸類型。所有PCI總線上設(shè)備都需對(duì)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(shí)，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(shí)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。

所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號(hào)等，并自動(dòng)尋找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。而不象舊的ISA板卡，需要進(jìn)行復(fù)雜的手動(dòng)配置。

實(shí)際的實(shí)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"(Configuration Space），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(shí)，板卡從ROM里讀取固定的值放到寄存器中，對(duì)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(gè)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(duì)于中斷的分配也與此類似。

ISA卡的一個(gè)重要局限在于中斷是獨(dú)占的，而我們知道計(jì)算機(jī)的中斷號(hào)只有16個(gè)，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時(shí)就會(huì)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(hào)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(hào)拉低。這樣不管有幾塊板產(chǎn)生中斷，中斷信號(hào)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(hào)才會(huì)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(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)板卡A用了中斷7，就會(huì)將中斷7對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向A卡對(duì)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(shí)就會(huì)將中斷7對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向ISR_B，同時(shí)將ISR_B的結(jié)束指向ISR_A。以此類推，就會(huì)形成一個(gè)中斷鏈。而當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到中斷7對(duì)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(shì)。而近年來的市場(chǎng)情況也證實(shí)了這一點(diǎn)。