第1章PCI总线的基本知识Word文件下载.docx

1、从软件层而上看，PCI Express总线与PCI总线基本兼容：从 磯件层面上看，PCI Express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（Prmted Cucuit Board）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

2、，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（PCI Special Interest Group） 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（Personal Computer Memory Card International Association）规范和 MiniPCI 规范。其 中PCMCIA规范主要针对Laptop应用，后来PCMCIA升级为PC Caid（

3、Caidbus）规范，而PC Card又升级为ExpressCard规范。PC Caid 规范基 T 32 位，33NIHz 的 PCI 总线；而 ExpressCard 规范基于 PCI Express 和 USB 2.0.这两个规范都在Laptop领域中获得了成功除了 PCMCIA规范外，Mmi PCI总 线也非常流行，与标准PCI插槽相比，Muu PCI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。其| PCI-t

4、o-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PCI Express总线替代,但是在PCI-X总线 中提出的许多设计思想仍然被PCI Express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

5、E卩记，PCI总线规范的许多内容都与基T IA （Intel Architecture）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PCI PCI Express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。PCI Express 总线也逐渐替代PC

6、I总线成为主流。但是从系统软件的角度上看，PCI Express总线仍然基 于PCI总线。理解PCI Express总线的一个基础是深入理解PCI总线，同时PCI Express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PCI Express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

7、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PCI Express总线简称为PCIe总线,PCI-to-PCI桥简称为PCI桥， PCI Express-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（2011-04-21 13:23:35）转载标签： 分类: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

8、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

9、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

10、，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

11、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

12、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

13、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

14、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&3