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pci总线结构及分类

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总线

　　随着现代电子技术、计算机技术的发展，各种总线应运而生。微型计算机的体系结构也发生了显著变化，如CPU运行速度的提高，多处理器结构的出现，高速缓冲存储器的广泛应用等，都要求有高速的总线来传输数据，从而出现了多总线结构。在多总线结构中，PCI总线以其速度高、可靠性强、成本低及兼容性好等性能，在各种总线标准中占主导地位。

　　PCI总线的结构

　　PCI总线作为处理器系统的局部总线，是处理器系统的一个组成部件，讲述PCI总线的组成结构不能离开处理器系统这个大环境。在一个处理器系统中，与PCI总线相关的模块如图1-1所示。

　　如图1‑1所示在一个处理器系统中，与PCI总线相关的模块包括，HOST主桥、PCI总线、PCI桥和PCI设备。PCI总线由HOST主桥和PCI桥推出，HOST主桥与主存储器控制器在同一级总线上，PCI设备可以方便地通过HOST主桥访问主存储器，即进行DMA操作。

　　值得注意的是，PCI设备的DMA操作需要与处理器系统的Cache进行一致性操作，当PCI设备通过HOST主桥访问主存储器时，Cache一致性模块将进行地址监听，并根据监听的结果改变Cache的状态。

　　在一些简单的处理器系统中，可能不含有PCI桥，此时所有PCI设备都是连接在HOST主桥推出的PCI总线上，此外在一些处理器系统中可能含有多个HOST主桥，如在图1‑1所示的处理器系统中含有HOST主桥x和HOST主桥Y。

　　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。 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PCI Express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（Plug and Play）、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总线分类

　　HOST主桥

　　HOST主桥是一个很特别的桥片，其主要功能是隔离处理器系统的存储器域与处理器系统的PCI总线域，管理PCI总线域，并完成处理器与PCI设备间的数据交换。处理器与PCI设备间的数据交换主要由“处理器访问PCI设备的地址空间”和“PCI设备使用DMA机制访问主存储器”这两部分组成。

　　为简便起见，下文将处理器系统的存储器域简称为存储器域，而将处理器系统的PCI总线域称为PCI总线域，存储器域和PCI总线域的详细介绍见第2.1节。值得注意的是，在一个处理器系统中，有几个HOST主桥，就有几个PCI总线域。

　　HOST主桥在处理器系统中的位置并不相同，如PowerPC处理器将HOST主桥与处理器集成在一个芯片中。而有些处理器不进行这种集成，如x86处理器使用南北桥结构，处理器内核在一个芯片中，而HOST主桥在北桥中。但是从处理器体系结构的角度上看，这些集成方式并不重要。

　　PCI设备通过HOST主桥访问主存储器时，需要与处理器的Cache进行一致性操作，因此在设计HOST主桥时需要重点考虑Cache一致性操作。在HOST主桥中，还含有许多数据缓冲，以支持PCI总线的预读机制。

　　HOST主桥是联系处理器与PCI设备的桥梁。在一个处理器系统中，每一个HOST主桥都管理了一颗PCI总线树，在同一颗PCI总线树上的所有PCI设备属于同一个PCI总线域。如图1‑1所示，HOST主桥x之下的PCI设备属于PCI总线x域，而HOST主桥y之下的PCI设备属于PCI总线y域。在这颗总线树上的所有PCI设备的配置空间都由HOST主桥通过配置读写总线周期访问。

　　如果HOST主桥支持PCI V3.0规范的Peer-to-Peer数据传送方式，那么分属不同PCI总线域的PCI设备可以直接进行数据交换。如图1‑1所示，如果HOST主桥y支持Peer-to-Peer数据传送方式，PCI设备y01可以直接访问PCI设备01或者PCI设备11，而不需要通过处理器的参与。但是这种跨越总线域的数据传送方式在PC架构中并不常用，在PC架构中，重点考虑的是PCI设备与主存储器之间的数据交换，而不是PCI设备之间的数据交换。此外在PC架构中，具有两个HOST主桥的处理器系统也并不多见。

　　在PowerPC处理器中，HOST主桥可以通过设置Inbound寄存器，使得分属于不同PCI总线域的设备可以直接通信。许多PowerPC处理器都具有多个HOST主桥，有关PowerPC处理器使用的HOST主桥

　　PCI总线

　　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。如在图1‑1所示的处理器系统中，PCI总线x树具有两条PCI总线，分别为PCI总线x0和PCI总线x1。而PCI总线y树中仅有一条PCI总线。

　　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，图1‑1将HOST主桥x推出的PCI总线命名为x0总线，而将PCI桥x1扩展出的PCI总线称之为x1总线；而将HOST主桥y推出的PCI总线称为y0~yn。分属不同PCI总线树的设备，其使用的PCI总线地址空间分属于不同的PCI总线域空间。

　　PCI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PCI Agent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PCI Agent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。本篇重点介绍PCI桥，而不关心其他桥设备的实现原理。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，本篇将在第2.5节中详细介绍这种桥片。在本书中，如不特别强调，PCI桥是指透明桥，透明桥也是PCI总线规范定义的标准桥片。

　　PCI-to-（E）ISA桥和PCI-to-Cardbus桥的主要作用是通过PCI总线扩展（E）ISA和Cardbus总线。在PCI总线推出之后，（E）ISA总线并没有在处理器系统中立即消失，此时需要使用PCI-（E）ISA桥扩展（E）ISA总线，而使用PCI-to-Cardbus桥用来扩展Cardbus总线，本篇并不关心（E）ISA和Cardbus总线的设计与实现。

　　HOST处理器

　　PCI总线规定在同一时刻内，在一颗PCI总线树上有且只有一个HOST处理器。这个HOST处理器可以通过HOST主桥，发起PCI总线的配置请求总线事务，并对PCI总线上的设备和桥片进行配置。

　　在PCI总线中，HOST处理器是一个较为模糊的概念。在SMP（symmetric multiprocessing）处理器系统中，所有CPU都可以通过HOST主桥访问其下的PCI总线树，这些CPU都可以作为HOST处理器。但是值得注意的是，HOST主桥才是PCI总线树的实际管理者，而不是HOST处理器。

　　在HOST主桥中，设置了许多寄存器，HOST处理器通过操作这些寄存器管理这些PCI设备。如在x86处理器的HOST主桥中设置了0xCF8和0xCFC这两个I/O端口访问PCI设备的配置空间，而PowerPC处理器的HOST主桥设置了CFG_ADDR和CFG_DATA寄存器访问PCI设备的配置空间。值得注意的是，在PowerPC处理器中并没有I/O端口，因此使用存储器映像寻址方式访问外部设备的寄存器空间。

　　PCI总线的负载

　　PCI总线的所能挂接的负载与总线频率相关，其中总线频率越高，所能挂接的负载越少。下文以 PCI总线和PCI-X总线为例说明总线频率、峰值带宽和负载能力之间的关系，如表1‑1所示。

　　由表1‑1所示，PCI总线频率越高，所能挂接的负载越少，但是整条总线所能提供的带宽越大。值得注意的是，PCI-X总线与PCI总线的传送协议略有不同，因此66MHz的PCI-X总线的负载数较大，PCI-X总线的详细说明见第1.5节。当PCI-X总线频率为266MHz和533MHz时，该总线只能挂接一个PCI-X插槽。在PCI总线中，一个插槽相当于两个负载，接插件和插卡各算为一个负载，在表1‑1中，33MHz的PCI总线可以挂接4~5个插槽，相当于直接挂接8~10个负载。.