PCI總線設備開發(fā)寶典

PCI總線是一種樹型結構，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設備和PCI橋片，PCI總線上只允許有一個PCI主設備，其他的均為PCI 從設備，而且讀寫操作只能在主從設備之間進行，從設備之間的數(shù)據(jù)交換需要通過主設備中轉。PCI總線結構如下圖所示。

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，用來連接各類設備，如聲卡、網卡和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，并形成具有血緣關系的多級PCI總線，從而形成PCI總線樹型結構。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總線域對應。

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(Plug and Play)、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設備做發(fā)起者(主控，Initiator或Master)，而另一個PCI設備做目標(從設備，Target或Slave)?？偩€上的所有時序的產生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時刻只能供一對設備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機構(Arbiter)，來決定在誰有權力拿到總線的主控權。

當PCI總線進行操作時，發(fā)起者(Master)先置REQ#，當?shù)玫街俨闷?Arbiter)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總線上設備都需對此地址譯碼，被選中的設備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然后當IRDY#與TRDY#都置低時，可以傳輸數(shù)據(jù)。當Master數(shù)據(jù)傳輸結束前，將FRAME#置高以標明只剩最后一組數(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。

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。

(1)傳輸速率高最大數(shù)據(jù)傳輸率為132MB/s，當數(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，適應高速設備數(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，構成一個分層次的多總線系統(tǒng)。高速設備從ISA/EISA總線卸下來，移到PCI總線上，低速設備仍可掛在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，更換相應的橋接組件即可。

(4)自動識別與配置外設 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5V和3.3V電源環(huán)境。

所謂即插即用，是指當板卡插入系統(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，并自動尋找相應的驅動程序。而不象舊的ISA板卡，需要進行復雜的手動配置。

實際的實現(xiàn)遠比說起來要復雜。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存地址，以及中斷等信息。

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

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)一側用電阻接高，而要產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生中斷，中斷信號都是低;而只有當所有板卡的中斷都得到處理后，中斷信號才會恢復高電平。

軟件上，采用中斷鏈的方法:假設系統(tǒng)啟動時，發(fā)現(xiàn)板卡A用了中斷7，就會將中斷7對應的內存區(qū)指向A卡對應的中斷服務程序入口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對應的內存區(qū)指向ISR_B，同時將ISR_B的結束指向ISR_A。以此類推，就會形成一個中斷鏈。而當有中斷發(fā)生時，系統(tǒng)跳轉到中斷7對應的內存，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。

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準總線。由PCI總線構成的標準系統(tǒng)結構如圖一所示。

PCI總線取代了早先的ISA總線。當然與在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(Plug and Play）、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設備做發(fā)起者（主控，Initiator或Master），而另一個PCI設備做目標（從設備，Target或Slave）?？偩€上的所有時序的產生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時刻只能供一對設備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機構（Arbiter），來決定在誰有權力拿到總線的主控權。

當PCI總線進行操作時，發(fā)起者（Master）先置REQ#，當?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總線上設備都需對此地址譯碼，被選中的設備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然后當IRDY#與TRDY#都置低時，可以傳輸數(shù)據(jù)。當Master數(shù)據(jù)傳輸結束前，將FRAME#置高以標明只剩最后一組數(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。

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。

所謂即插即用，是指當板卡插入系統(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，并自動尋找相應的驅動程序。而不象舊的ISA板卡，需要進行復雜的手動配置。

實際的實現(xiàn)遠比說起來要復雜。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存地址，以及中斷等信息。

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

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)一側用電阻接高，而要產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生中斷，中斷信號都是低；而只有當所有板卡的中斷都得到處理后，中斷信號才會恢復高電平。

軟件上，采用中斷鏈的方法：假設系統(tǒng)啟動時，發(fā)現(xiàn)板卡A用了中斷7，就會將中斷7對應的內存區(qū)指向A卡對應的中斷服務程序入口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對應的內存區(qū)指向ISR_B，同時將ISR_B的結束指向ISR_A。以此類推，就會形成一個中斷鏈。而當有中斷發(fā)生時，系統(tǒng)跳轉到中斷7對應的內存，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。