第1章PCI总线的基本知识Word文件下载.docx
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从软件层而上看,PCIExpress总线与PCI总线基本兼容:
从磯件层面上看,PCIExpress总线在很犬程度上继承了PCI总线的设计思路。
因此PCI总线依然是软硬件工程师在进行处理器系统的开发与设计时,必须要掌握的一条局部总线。
PCI总线V1.0规范仅针对在一个PCB(PrmtedCucuitBoard)环境内的,器件Z间的互连,而1993年4月30口发布的V2.0规范增加了对PCI插槽的支持。
1995年6月1日,PCIV2.1总线规范发布,这个规范具有里程碑总义。
正是这个规范使得PCI总线人规模普及,至此PCI总线完成了对(E)ISA和MCA总线的替换。
至1996年,VESA总线也逐渐离开了人们的视线,当然PCI总线并不能完全提供显卡所需要的带宽,貞•正替代VESA总线的是AGP总线。
随后PCISIG(PCISpecialInterestGroup)陆续发布了PCI总线V2.2,V2.3规范,并最终将PCI总线规范定格在V3.0。
除了PCI总线规范外,PCISIG还定义了一些与PCI总线相关的规范,如PCMCIA(PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation)规范和MiniPCI规范。
其中PCMCIA规范主要针对Laptop应用,后来PCMCIA升级为PCCaid(Caidbus)规范,而PCCard又升级为ExpressCard规范。
PCCaid规范基T32位,33NIHz的PCI总线;
而ExpressCard规范基于PCIExpress和USB2.0.这两个规范都在Laptop领域中获得了成功’除了PCMCIA规范外,MmiPCI总线也非常流行,与标准PCI插槽相比,MuuPCI插槽占用面枳较小,适用于一些对尺寸有要求的应用。
除了以匕规范之外,PCISIG还推出了一系列和PCI总线直接相关的规范。
如PCI-to-PCI桥规范、PCI电源管理规范、PCI热插拔规范和CompactPCI总线规范。
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PCI-to-PCI桥规范最为重要,理解PCI-to-PCI桥是理解PCI体系结构的基础:
而CompactPCI总线规范多用于具有背板结构的大型系统,并支持热拔插。
PCISIG在PCI总线规范的基础上,进一步提出PCI-X规范。
与PCI总线相比,PCI-X总线规范可以支持133MHz、266MHz和533MHz的总线频率,并在传送规则上做了一些改动。
虽然PCI-X总M没令得到大规模普及就被PCIExpress总线替代,但是在PCI-X总线中提出的许多设计思想仍然被PCIExpress总线继承。
PCI总线规范足Intel対PC领域做出的•个巨人贡献。
Intel也在PCI总线规范留卜了深深的E卩记,PCI总线规范的许多内容都与基TIA(IntelArchitecture)架构的x86处理器密切相关。
但是这并不妨碍其他处理器系统使用PCI总线,寥实上PCI总线在非X86处理器系统上也取得了巨人的成功。
目前绝人多数处理器系统都使用PCIPCIExpress总线连接外部设备,特别是一些通用外设。
随着时间的推移,PCI和PCI-X总线逐步遇到瓶颈。
PCI和PCI-X总线使用单端并行信号进行数据传递,由于单端信号容易被外部系统干扰,其总线频率很难进一步提高。
目前,为了获得更高的总伐频率以提高总线带宽,■串行总贱逐步替代了并行总线。
PCIExpress总线也逐渐替代PCI总线成为主流。
但是从系统软件的角度上看,PCIExpress总线仍然基于PCI总线。
理解PCIExpress总线的一个基础是深入理解PCI总线,同时PCIExpress总线也继承了PCI总线的许多概念。
本篇将详细介绍与处理器体系结构相关的,一些必备的PCI总线知识。
为简化起见,本篇主要介绍PCI总线的32位地址模式。
在实际应用中,使用64位地址模式的PCI设备非常少。
而且在PCIExpress总线逐渐取代PCI总线的大趋势之下,将來也很难会有更多的,使用64位地址的PCI设备。
如果读考需要掌握PCI总线的64位地址模式,请自行阅读PCI总线的相关规范。
实际上,如呆读者真正掌握了PCI总线的32位地址模式之后,理解64位地址模式并不困难。
为节省篇幅,下文将PCIExpress总线简称为PCIe总线,PCI-to-PCI桥简称为PCI桥,PCIExpress-to-PCI桥简称为PCIe桥,Host-to-PCI主桥简称为HOST主桥。
值得注意的是许多书籍将HOST主桥称为PCI主桥或者PCI总线控制器。
、第1章PCI总线的基本知识
(2011-04-2113:
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浅谈PCIe体系结构
杂谈
PCI总线作为处理器系统的局部总线,主要目的是为了连接外部设备,而不是作为处理器的系统总线连接Cache和主存储器。
但是PCI总线、系统总线和处理器体系结构之间依然存在着紧密的联系。
PCI总线作为系统总线的延伸,其设计考虑了许多与处理器相关的内容,如处理器的Cache共享一致性和数据完整性,以及如何与处理器进行数据交换等一系列内容。
其中Cache共享-•致性和数据完整性是现代处理器局部总线的设计的重点和难点,也是本书将重点讲述的主题之一。
独立地研究PCI总线并不可取,因为PCI总线仅是处理器系统的一个组成部分。
深入理解PCI总线需要了解一些与处理器体系结构相关的知识。
这些知识是本书所侧重描述的,同时也是PCI总线规范所忽略的内容。
脱离实际的处理器系统,不容易也不可能深入理解PCI总线规范。
对于今天的读者来说,PCI总线提出的许多概念略显过时,也有许多不足之处。
但是在当年,PCI总线与Z前的存在其他并行局部总线如ISA、EISA和MCA总线相比,具有许多突出的优点,是一个全新的设计。
(1)PCI总线空间与处理器空间隔离
PCI设备具冇独立的地址空间,即PCI总线地址空间,该空间与存储器地址空间通过HOST主桥隔离。
处理器需要通过HOST主桥才能访问PCI设备,而PCI设备需要通过HOST主桥才能主存储器。
在HOST主桥中含右许多缓冲,这些缓冲使得处理器总线与PCI总线工作在并自的时钟频率中,彼此互不干扰。
HOST主桥的存在也使得PCI设备和处理器可以方便地共享主存储器资源。
处理器访问PCI设备时,必须通过HOST主桥进行地址转换:
而PCI设备访问主存储器时,也需要通过HOST主桥进行地址转换。
HOST主桥的一个重要作用就是将处理器访问的存储器地址转换为PCI总线地址。
PCI设备使用的地址空间是属于PCI总线域的,而与存储器地址空间不同。
X86处理器对PCI总线域与存储器域的划分并不明晰,这也使得许多程序员并没有准确地区分PCI总线域地址空间与存储器域地址空间。
而本书将反复强调存储器地址和PCI总线地址的区别,因为这是理解PCI体系结构的觅要内容。
PCI规范并没有对HOST主桥的设计进行约束。
每一个处理器厂商使用的HOST主桥,其设计都不尽相同。
HOST主桥是联系PCI总线与处理器的核心部件,卒:
握HOST主桥的实现机制是深入理解PCI体系结构的前提。
本书将以Freescale的PowerPC处理器和Intel的x86处理器为例,说明各自HOST主桥的实现方式,值得注意的是本书涉及的PowerPC处理器仅针对Freescale的PowerPC处理器,而不包倉IBM和AMCC的Power和PowerPC处理誥。
而且如果没右特别说明,本书中涉及的X86处理器特指Hitel的处理器,而不是其他厂商的X86处理器。
(2)可扩展性
PCI总线只何很强的扩展性。
在PCI总线中,HOST主桥町以直接推出一条PCI总线,这条总线也是该HOST主桥的所管理的第一条PCI总线,该总线还可以通过PCI桥扩展出一系列PCI总线,并以HOST主桥为根节点,形成1颗PCI总线树。
这些PCI总线都可以连接PCI设备,但是在1颗PCI总线树卜.,最多只能挂接256个PCI设备(包括PCI桥)。
在同一条PCI总线上的设备间可以直接通信,并不会影响其他PCI总线上设备间的数据通信。
隶属于同一颗PCI总线树上的PCI设备,也口J以直接通信,但是需要通过PCI桥进行数据转发。
PCI桥是PCI总线的一个亜要组成部件,该部件的存在使得PCI总线极其扩展性。
PCI桥也是有别于其他局部总线的一个重要部件。
在'
‘以HOST主桥为根节点”的PCI总线树中,每一个PCI桥下也可以连接一个PCI总线子树,PCI桥下的PCI总线仍然可以使用PCI桥继续进行总线扩展。
PCI桥可以管理这个PCI总线子树,PCI桥的配置空间含有一系列管理PCI总线子树的配置寄存器。
在PCI桥的两端,分别连接了两条总线,分别是上游总线(PnnwyBus)和卜游总线(SecondaiyEus)。
其中与处理器距离较近的总线被称为上游总线,另一条被称为卜•游总线。
这两条总线间的通信需要通过PCI桥进行。
PCI桥中的许多概念彼PCIe总线采纳,理解PCI桥也是理解PCIe体系结构的基础。
(3)动态配豐机制
PCI设备使用的地址可以根据需要由系统软件动态分配。
PCI总线使用这种方式合理地解决了设备间的地址冲突,从而实现了“即插即用”功能。
从而PCI总线不需要使用ISA或者EISA接口卡为解决地址冲突而使用的硬件跳线。
每一个PCI设备都有独芷的配置空间,在配置空间中含白该设备在PCI总线中使用的基地址,系统软件可以动态配豐这个基地址,从而保证每个PCI设备使用的物理地址并不相同。
PCI桥的配宣空间中含有其下PCI子树所能使用的地址范围。
(4)总线带宽
PCI总线与之前的局部总线相比,极人提高了数据传送带宽,32位/33MHz的PCI总线"
f以提供132NIB/S的峰值帯宽,而64位/66MHz的PCI总线对以提供的峰值帯宽为532MB/S。
虽然PCI总线所能提供的峰值带宽远不能和PCIe总线相比,但是与之前的局部总线ISA、EISA和MCA总线相比,仍然具有较大的优势。
ISA总线的最高主频为8MH乙位宽为16,其峰值带宽为16MB/S:
EISA总线的最高主频为&
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