PCI匯流排

1、必要引腳控設備49條；

2、目標設備47條；

3、可選引腳51條（主要用於64位擴展、中斷請求、高速緩存支持等）；

4、總引腳數120條（包含電源、地、保留引腳等）。

PCI匯流排是一種樹型結構，並且獨立於CPU匯流排，可以和CPU匯流排并行操作。PCI匯流排上可以掛接PCI設備和PCI橋片，PCI匯流排上只允許有一個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，從設備之間的數據交換需要通過主設備中轉。

PCI匯流排結構如下圖所示。

在處理器系統中，含有PCI匯流排和PCI匯流排樹這兩個概念。這兩個概念並不相同，在一顆PCI匯流排樹中可能具有多條PCI匯流排，而具有血緣關係的PCI匯流排組成一顆PCI匯流排樹。PCI匯流排由HOST主橋或者PCI橋管理，用來連接各類設備，如音效卡、網卡和IDE介面卡等。在一個處理器系統中，可以通過PCI橋擴展PCI匯流排，並形成具有血緣關係的多級PCI匯流排，從而形成PCI匯流排樹型結構。在處理器系統中有幾個HOST主橋，就有幾顆這樣的PCI匯流排樹，而每一顆PCI匯流排樹都與一個PCI匯流排域對應。

與HOST主橋直接連接的PCI匯流排通常被命名為PCI匯流排0。考慮到在一個處理器系統中可能有多個主橋。

PCI匯流排取代了早先的ISA匯流排。當然與在PCI匯流排後面出現專門用於顯卡的AGP匯流排，與現在的PCI Express匯流排相比，功能沒有那麼強大，但是PCI能從1992用到現在，說明他有許多優點，比如即插即用（Plug and Play）、中斷共享等。在這裡我們對PCI匯流排做一個深入的介紹。

從數據寬度上看，PCI匯流排有32bit、64bit之分；從匯流排速度上分，有33MHz、66MHz兩種。目前流行的是32bit@33MHz，而64bit系統正在普及中。改良的PCI系統，PCI-X，最高可以達到64bit@133MHz，這樣就可以得到超過1GB/s的數據傳輸速率。如果沒有特殊說明，以下的討論以32bit@33MHz為例。

不同於ISA匯流排，PCI匯流排的地址匯流排與數據匯流排是分時復用的。這樣做的好處是，一方面可以節省接插件的管腳數，另一方面便於實現突發數據傳輸。在做數據傳輸時，由一個PCI設備做發起者（主控，Initiator或Master），而另一個PCI設備做目標（從設備，Target或Slave）。匯流排上的所有時序的產生與控制，都由Master來發起。PCI匯流排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匯流排的主控權。

當PCI匯流排進行操作時，發起者（Master）先置REQ#，當得到仲裁器（Arbiter）的許可時（GNT#），會將FRAME#置低，並在AD匯流排上放置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匯流排上設備都需對此地址解碼，被選中的設備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然後當IRDY#與TRDY#都置低時，可以傳輸數據。當Master數據傳輸結束前，將FRAME#置高以標明只剩最後一組數據要傳輸，並在傳完數據後放開IRDY#以釋放匯流排控制權。

這裡我們可以看出，PCI匯流排的傳輸是很高效的，發出一組地址后，理想狀態下可以連續發數據，峰值速率為132MB/s。實際上，目前流行的33M@32bit北橋晶元一般可以做到100MB/s的連續傳輸。

(1)傳輸速率高最大數據傳輸率為132MB/s，當數據寬度升級到64位，數據傳輸率可達264MB/s。這是其他匯流排難以比擬的。它大大緩解了數據I/O瓶頸，使高性能CPU的功能得以充分發揮，適應高速設備數據傳輸的需要。

(2)多匯流排共存採用PCI匯流排可在一個系統中讓多種匯流排共存，容納不同速度的設備一起工作。通過HOST-PCI橋接組件晶元，使CPU匯流排和PCI匯流排橋接；通過PCI-ISA/EISA橋接組件晶元，將PCI匯流排與ISA/EISA匯流排橋接，構成一個分層次的多匯流排系統。高速設備從ISA/EISA匯流排卸下來，移到PCI匯流排上，低速設備仍可掛在ISA/EISA匯流排上，繼承原有資源，擴大了系統的兼容性。

(3)獨立於CPU PCI匯流排不依附於某一具體處理器，即PCI匯流排支持多種處理器及將來發展的新處理器，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匯流排的主要性能

(1)匯流排時鐘頻率33.3MHz/66.6MHz。

(2)匯流排寬度32位/64位。

(3)最大數據傳輸率132MB/s(264MB/s)。

(4)支持64位定址。

(5)適應5V和3.3V電源環境。

即插即用的實現

所謂即插即用，是指當板卡插入系統時，系統會自動對板卡所需資源進行分配，如基地址、中斷號等，並自動尋找相應的驅動程序。而不象舊的ISA板卡，需要進行複雜的手動配置。

實際的實現遠比說起來要複雜。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位元組數等信息。操作系統要跟據這個信息分配內存，並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。對於中斷的分配也與此類似。

中斷共享的實現

ISA卡的一個重要局限在於中斷是獨佔的，而我們知道計算機的中斷號只有16個，系統又用掉了一些，這樣當有多塊ISA卡要用中斷時就會有問題了。

PCI匯流排的中斷共享由硬體與軟體兩部分組成。

硬體上，採用電平觸發的辦法：中斷信號在系統一側用電阻接高，而要產生中斷的板卡上利用三極體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。

軟體上，採用中斷鏈的方法：假設系統啟動時，發現板卡A用了中斷7，就會將中斷7對應的內存區指向A卡對應的中斷服務程序入口ISR_A；然後系統發現板卡B也用中斷7，這時就會將中斷7對應的內存區指向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。而當有中斷髮生時，系統跳轉到中斷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，並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匯流排有著極大的的優勢。而近年來的市場情況也證實了這一點。

在PCI匯流排中有三類設備，PCI主設備、PCI從設備和橋設備。其中PCI從設備只能被動地接收來自HOST主橋，或者其他PCI設備的讀寫請求；而PCI主設備可以通過匯流排仲裁獲得PCI匯流排的使用權，主動地向其他PCI設備或者主存儲器發起存儲器讀寫請求。而橋設備的主要作用是管理下游的PCI匯流排，並轉發上下游匯流排之間的匯流排事務。

一個PCI設備可以即是主設備也是從設備，但是在同一個時刻，這個PCI設備或者為主設備或者為從設備。PCI匯流排規範將PCI主從設備統稱為PCI Agent設備。在處理器系統中常見的PCI網卡、顯卡、音效卡等設備都屬於PCI Agent設備。

在PCI匯流排中，HOST主橋是一個特殊的PCI設備，該設備可以獲取PCI匯流排的控制權訪問PCI設備，也可以被PCI設備訪問。但是HOST主橋並不是PCI設備。PCI規範也沒有規定如何設計HOST主橋。

在PCI匯流排中，還有一類特殊的設備，即橋設備。橋設備包括PCI橋、PCI-to-(E)ISA橋和PCI-to-Cardbus橋。PCI橋的存在使PCI匯流排極具擴展性，處理器系統可以使用PCI橋進一步擴展PCI匯流排。

PCI橋的出現使得採用PCI匯流排進行大規模系統互連成為可能。但是在目前已經實現的大規模處理器系統中，並沒有使用PCI匯流排進行處理器系統與處理器系統之間的大規模互連。因為PCI匯流排是一個以HOST主橋為根的樹型結構，使用主從架構，因而不易實現多處理器系統間的對等互連。

即便如此PCI橋仍然是PCI匯流排規範的精華所在，掌握PCI橋是深入理解PCI體系結構的基礎。PCI橋可以連接兩條PCI匯流排，上游PCI匯流排和下游PCI匯流排，這兩個PCI匯流排屬於同一個PCI匯流排域，使用PCI橋擴展的所有PCI匯流排都同屬於一個PCI匯流排域。

其中對PCI設備配置空間的訪問可以從上游匯流排轉發到下游匯流排，而數據傳送可以雙方向進行。在PCI匯流排中，還存在一種非透明PCI橋，該橋片不是PCI匯流排規範定義的標準橋片，但是適用於某些特殊應用。

（1）傳輸速率高最大數據傳輸率為132MB/s，當數據寬度升級到64位，數據傳輸率可達264MB/s。這是其他匯流排難以比擬的。它大大緩解了數據I/O瓶頸，使高性能CPU的功能得以充分發揮，適應高速設備數據傳輸的需要。

(2)多匯流排共存採用PCI匯流排可在一個系統中讓多種匯流排共存，容納不同速度的設備一起工作。通過HOST-PCI橋接組件晶元，使CPU匯流排和PCI匯流排橋接；通過PCI-ISA/EISA橋接組件晶元，將PCI匯流排與ISA/EISA匯流排橋接，構成一個分層次的多匯流排系統。高速設備從ISA/EISA匯流排卸下來，移到PCI匯流排上，低速設備仍可掛在ISA/EISA匯流排上，繼承原有資源，擴大了系統的兼容性。

(3)獨立於CPU PCI匯流排不依附於某一具體處理器，即PCI匯流排支持多種處理器及將來發展的新處理器，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（Peripheral Component Interconnect）匯流排是一種高性能局部匯流排，是為了滿足外設間以及外設與主機間高速數據傳輸而提出來的。在數字圖形、圖像和語音處理，以及高速實時數據採集與處理等對數據傳輸率要求較高的應用中，採用PCI匯流排來進行數據傳輸，可以解決原有的標準匯流排數據傳輸率低帶來的瓶頸問題。

PCI匯流排是一種同步的獨立於處理器的32位或64位局部匯流排，最高工作頻率為33MHz，峰值速度在32位時為132MB/s，64位時為264MB/s，匯流排規範由PCISIG發布。ISA匯流排相比，PCI匯流排和有如下顯著的特點：

（1）高速性

PCI局部匯流排以33MHz的時鐘頻率操作，採用32位數據匯流排，數據傳輸速率可高達132MB/s，遠超過以往各種匯流排。而早在1995年6月推出的PCI匯流排規範2。l已定義了64位、66MHz的PCI匯流排標準。因此PCI匯流排完全可為未來的計算機提供更高的數據傳送率。另外，PCI匯流排的主設備（Master）可與微機內存直接交換數據，而不必經過微機CPU中轉，也提高了數據傳送的效率。

（2）即插即用性

目前隨著計算機技術的發展，微機中留給用戶使用的硬體資源越來越少，也越來越含糊不清。在使用ISA板卡時，有兩個問題需要解決：一是在同一台微機上使用多個不同廠家、不同型號的板卡時，板卡之間可能會有硬體資源上的衝突；二是板卡所佔用的硬體資源可能會與系統硬體資源（如音效卡、網卡等）相衝突。而PCI板卡的硬體資源則是由微機根據其各自的要求統一分配，決不會有任何的衝突問題。因此，作為PCI板卡的設計者，不必關心微機的哪些資源可用，哪些資源不可用，也不必關心板卡之間是否會有衝突。因此，即使不

考慮PCI匯流排的高速性，單憑其即插即用性，就比ISA匯流排優越了許多。

（3）可靠性

PCI獨立於處理器的結構，形成一種獨特的中間緩衝器設計方式，將中央處理器子系統與外圍設備分開。這樣用戶可以隨意增添外圍設備，以擴充電腦系統而不必擔心在不同時鐘頻率下會導致性能的下降。與原先微機常用的ISA匯流排相比，PCI匯流排增加了奇偶校驗錯（PERR）、系統錯（SERR）、從設備結束（STOP）等控制信號及超時處理等可靠性措施，使數據傳輸的可靠性大為增加。

（4）複雜性

PCI匯流排強大的功能大大增加了硬體設計和軟體開發的實現難度。硬體上要採用大容量、高速度的CPLD或FPGA晶元來實現PCI匯流排複雜的功能。軟體上則要根據所用的操作系統，用軟體工具編製支持即插即用功能酶設備驅動程序。

（5）自動配置

PCI匯流排規範規定PCI插卡可以自動配置。PCI定義了3種地址空間：存儲器空間，輸入輸出空間和配置空間，每個PCI設備中都有256位元組的配置空間用來存放自動配置信息，當PCI插卡插入系統，BIOS將根據讀到的有關該卡的信息，結合系統的實際情況為插卡分配存儲地址、中斷和某些定時信息。

（6）共享中斷

PCI匯流排是採用低電平有效方式，多個中斷可以共享一條中斷線，而ISA匯流排是邊沿觸發方式。

（7）擴展性好

如果需要把許多設備連接到PCI匯流排上，而匯流排驅動能力不足時，可以採用多級PCI匯流排，這些匯流排上均可以併發工作，每個匯流排上均可掛接若干設備。因此PCI匯流排結構的擴展性是非常好的。由於PCI的設計是要輔助現有的擴展匯流排標準，因此與ISA，EISA及MCA匯流排完全兼容。

（8）多路復用

在PCI匯流排中為了優化設計採用了地址線和數據線共用一組物理線路，即多路復用。PCI接插件尺寸小，又採用了多路復用技術，減少了元件和管腳個數，提高了效率。

（9）嚴格規範

PCI匯流排對協議、時序、電氣性能、機械性能等指標都有嚴格的規定，保證了PCI的可靠性和兼容性。由於PCI匯流排規範十分複雜，其介面的實現就有較高的技術難度。

PCI匯流排信號定義示意圖

PCI匯流排標準所定義的信號線通常分成必需的和可選的兩大類。其信號線總數為120條（包括電源、地、保留引腳等）。其中，必需信號線：主控設備49條，目標設備47條。可選信號線：51條（主要用於64位擴展、中斷請求、高速緩存支持等）。主設備是指取得了匯流排控制權的設備，而被主設備選中以進行數據交換的設備稱為從設備或目標設備。作為主設備需要49條信號線，若作為目標設備，則需要47條信號線，可選的信號線有51條。利用這些信號線便可以傳輸數據、地址，實現介面控制、仲裁及系統的功能。PCI局部匯流排信號如下所示。下面按功能分組進行說明：

1）系統信號CLK IN：系統時鐘信號，為所有PCI傳輸提供時序，對於所有的PCI設備都是輸入信號。其頻率最高可達33MHz/66MHz，這一頻率也稱為PCI的工作頻率。RST#IN：複位信號。用來迫使所有PCI專用的寄存器、定序器和信號轉為初始狀態。

2）.地址和數據信號AD[31：：00]T/S：地址、數據復用的信號。PCI匯流排上地址和數據的傳輸，必需在FRAME#有效期間進行。當FRAME#有效時的第1個時鐘，AD[31：：00]上的信號為地址信號，稱地址期；當IRDY#和TRDY#同時有效時，AD[31：：00]上的信號為數據信號，稱數據期。一個PCI匯流排傳輸周期包含一個地址期和接著的一個或多個數據期。C/BE[3：：0]#T/S：匯流排命令和位元組允許復用信號。在地址期，這4條線上傳輸的時匯流排命令；在數據期，它們傳輸的時位元組允許信號，用來指定在數據期，AD[31：：00]線上4個數據位元組中哪些位元組為有效數據，以進行傳輸。PART/S：奇偶校驗信號。它通過AD[31：：00]和C/BE[3：：0]進行奇偶校驗。主設備為地址周期和寫數據周期驅動PAR，從設備為讀數據周期驅動PAR。

3）.介面控制信號FRAME# S/T/S：幀周期信號，由主設備驅動。表示一次匯流排傳輸的開始和持續時間。當FRAME#有效時，預示匯流排傳輸的開始；在其有效期間，先傳地址，後傳數據；當FRAME#撤消時，預示匯流排傳輸結束，並在IRDY#有效時進行最後一個數據期的數據傳送。IRDY# S/T/S：主設備準備好信號。IRDY#要與TRDY#聯合使用，當二者同時有效時，數據方能傳輸，否則，即為未準備好二進入等待周期。在寫周期，該信號有效時，表示數據已由主設備提交到AD[31：：00]線上；在讀周期，該信號有效時，表示主設備已做好接收數據的準備。TRDY# S/T/S：從設備（被選中的設備）準備好信號。同樣TRDY#要與IRDY#聯合使用，只有二者同時有效，數據才能傳輸。STOP# S/T/S：從設備要求主設備停止當前的數據傳送的信號。顯然，該信號應由從設備發出。LOCK# S/T/S：鎖定信號。當對一個設備進行可能需要多個匯流排傳輸周期才能完成的操作時，使用鎖定信號LOCK#，進行獨佔性訪問。例如，某一設備帶有自己的存儲器，那麼它必需能進行鎖定，以便實現對該存儲器的完全獨佔性訪問。也就是說，對此設備的操作是排它性的。IDSEL IN：初始化設備選擇信號。在參數配置讀/寫傳輸期間，用作片選信號。DEVSEL# S/T/S：設備選擇信號。該信號由從設備在識別處地址時發出，當它有效時，說明匯流排上有某處的某一設備已被選中，並作為當前訪問的從設備。

4）.仲裁信號（只用於匯流排主控器）REQ# T/S：匯流排佔用請求信號。該信號有效表明驅動它的設備要求使用匯流排。它是一個點到點的信號線，任何主設備都有它自己的REQ#信號。GNT# T/S：匯流排佔用允許信號。該信號有效，表示申請佔用匯流排的設備的請求已獲得比准。

5）.錯誤報告信號PERR# S/T/S：數據奇偶校驗錯誤報告信號。一個設備只有在響應設備選擇信號（DEVSEL#）和完成數據期之後，才能報告一個PERR#。SERR#O/D：系統錯誤報告信號。用做報告地址奇偶錯、特殊命令序列中的數據奇偶錯，以及其他可能引起災難性後果的系統錯誤。它可由任何設備發出。

6）.中斷信號在PCI匯流排中，中斷是可選項，不一定必須具有。INTA# O/D：用於請求中斷。INTB# O/D、INTC# O/D、INTD# O/D：用於請求中斷，僅對多功能設備有意義。所謂的多功能設備是指：將幾個相互獨立的功能集中在一個設備中。各功能與中斷線之間的連接是任意的，沒有任何附加限制。

7.）其他可選信號（1）高速緩存支持信號：SBO# IN/OUT、SDONE IN/OUT（2）64位匯流排擴展信號：REQ64# S/T/S、ACK65# S/T/S、AD[63：：32]T/S、C/BE[7：：4]#T/S、PAR64 T/S。（3）測試訪問埠/邊界掃描信號：TCK IN、TDI IN、TDO OUT、TMS IN、TRST# IN。