pci

從1992年創立規範到如今，PCI匯流排已成為了計算機的一種標準匯流排。 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PCI Express匯流排相比，速度要慢，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。

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。

一、基本概念

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。

32bit PCI系統的管腳按功能來分有以下幾類：

系統控制： CLK，PCI時鐘，上升沿有效

RST ，Reset信號

傳輸控制： FRAME#，標誌傳輸開始與結束

IRDY#，Master可以傳輸數據的標誌

DEVSEL#，當Slave發現自己被定址時置低應答

TRDY#，Slave可以轉輸數據的標誌

STOP#，Slave主動結束傳輸數據的信號

IDSEL，在即插即用系統啟動時用於選中板卡的信號

地址與數據匯流排： AD[31::0]，地址/數據分時復用匯流排

C/BE#[3::0]，命今/位元組使能信號

PAR，奇偶校驗信號

仲裁號： REQ#，Master用來請求匯流排使用權的信號

GNT#，Arbiter允許Master得到匯流排使用權的信號

錯誤報告： PERR#，數據奇偶校驗錯

SERR#，系統奇偶校驗錯

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。

二、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。操作系統要根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。

三、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，中斷信號才會回復高電平。

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。

PCI匯流排系統要求有一個PCI控制卡，它必須安裝在一個PCI插槽內。這種插槽是目前主板帶有最多數量的插槽類型，在當前流行的台式機主板上，ATX結構的主板一般帶有5～6個PCI插槽，而小一點的MATX主板也都帶有2～3個PCI插槽。根據實現方式不同，PCI控制器可以與CPU一次交換32位或64位數據，它允許智能PCI輔助適配器利用一種匯流排主控技術與CPU并行地執行任務。PCI允許多路復用技術，即允許一個以上的電子信號同時存在於匯流排之上。

PCI-1710/1710HG PCI 匯流排 16 通道 100 KHz，12 位多功能卡（高增益） 4510.-

PCI-1720 4 通道隔離 D/A 輸出卡 4510.-

PCI-1750 PCI 匯流排 32 通道數字量輸入/輸出卡，具有 2500 V DC 隔離保護 1645-

PCI-1751 PCI 匯流排 48 位數字量輸入/輸出卡 1280-

PCI-1760 繼電器輸出和隔離數字量輸入卡 2240-

PCI-1713 100 kS/s、12 位卡、32 通道 隔離模擬量輸入 5420.-

PCI-1714 4通道同步30MS/s模擬量輸入卡

PCI-1711 100KS/s，12位16路單端輸入低成本多功能數據採集卡

PCI-1711L 100KS/s，12位16路單端輸入低成本多功能數據採集卡

PCI-1712 1MS/s，12位高速多功能數據採集卡

PCI-1712L 1MS/s，12位高速多功能數據採集卡

PCI-1716 250 KS/s, 16位, 16路高解析度多功能數據採集卡

PCI-1716L 16位高精度多功能帶模擬量輸出數據採集卡

PCI-1747U 250K 16-bit 64-ch AI card

PCI-1721 12位，4路增強模擬量輸出卡

PCI-1723 16位，8路非隔離模擬量輸出卡

PCI-1724U 14-bit, 32-ch Isolated Analog Output Card

PCI-1730 32路隔離數字量輸入/輸出卡

PCI-1733 32路隔離數字量輸入卡

PCI-1734 32路隔離數字量輸出卡

PCI-1752 64路隔離數字量輸出卡

PCI-1753 96/192位數字量I/0卡

PCI-1753E PCI-1753擴展板

PCI-1754 64路隔離數字量輸入卡

PCI-1755 高速32通道數字量輸入輸出板卡

PCI-1756 64路隔離數字量I/O卡

PCI-1761 8路繼電器輸出和8路隔離數字量輸入卡

PCI-1762 16路隔離數字量輸入和16路繼電器輸出卡

PCI-1780 8通道計數器/定時器卡

PCI2.2允許66MHz的信號傳輸（需要在3.3伏特的信號，傳輸速率峰值為533MB每秒）。

PCI2.3允許使用3.3伏特和通用標識符，但在5伏特的情況不能下使用。

PCI3.0是PCI匯流排的最後一個官方版本，徹底取消了對使用5伏特的設備的支持。

PCI-X稍稍改變了協定並增加了資料傳輸速率到133MHz（傳輸速率峰值為1066MB/s）。

PCI-X2.0指定了266MHz（傳輸速率峰值為2133MB/s）和533MHz速率，擴充可規劃空間至4096bytes，增加了16-bit的可變匯流排並且允許1.5伏特的電壓訊號。

微型PCI是PCI2.2版中的新要素，主要用於筆記本電腦的內部。

Cardbus是32位33MHz的PCI，是PCMCIA的要素。

緊湊型PCI,usesEurocard-sizedmodulespluggedintoaPCIbackplane.

PC/104-Plus是一種利用PCI匯流排連接多個連接器的工業匯流排。

高級電訊計算體系（ATCA）是電訊工業下一代匯流排。

PCI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。

最早提出的PCI匯流排工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達到133MB/s(33MHz*32bit/s)，基本上滿足了當時處理器的發展需要。隨著對更高性能的要求，1993年又提出了64bit的PCI匯流排，後來又提出把PCI匯流排的頻率提升到66MHz。目前廣泛採用的是32-bit、33MHz的PCI匯流排，64bit的PCI插槽更多是應用於伺服器產品。從結構上看，PCI是在CPU和原來的系統匯流排之間插入的一級匯流排，具體由一個橋接電路實現對這一層的管理，並實現上下之間的介面以協調數據的傳送。管理器提供信號緩衝，能在高時鐘頻率下保持高性能，社和為顯卡，音效卡，網卡，MODEM等設備提供連接介面，工作頻率為33MHz/66MHz。

PCI匯流排系統要求有一個PCI控制卡，它必須安裝在一個PCI插槽內。根據實現方式不同，PCI控制器可以與CPU一次交換32位或64位數據，它允許智能PCI輔助適配器利用一種匯流排主控技術與CPU并行地執行任務。PCI允許多路復用技術，即允許一個以上的電子信號同時存在於匯流排之上。

PCI匯流排的主要性能

（2）匯流排時鐘頻率33.3MHz/66MHz

（3）最大數據傳輸速率133MB/s

（4）時鐘同步方式

（5）與CPU及時鐘頻率無關

（6）匯流排寬度32位（5V）/64位（3.3V）

（7）能自動識別外設

PCI匯流排的主要特點

·具有與處理器和存儲器子系統完全并行操作的能力

·具有隱含的中央仲裁系統

·採用多路復用方式（地址線和數據線）減少了引腳數

·完全的多匯流排主控能力

·提供地址和數據的奇偶校驗

·可以轉換5V和3.3V的信號環境

PCI插槽是基於PCI局部匯流排的擴展插槽，其顏色一般為乳白色，位於主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。其位寬為32位或64位，工作頻率為33MHz,最大數據傳輸率為133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位)。可插接顯卡、音效卡、網卡、內置Modem、內置ADSLModem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE介面卡、RAID卡、電視卡、視頻採集卡以及其它種類繁多的擴展卡。PCI插槽是主板的主要擴展插槽，通過插接不同的擴展卡可以獲得目前電腦能實現的幾乎所有功能，是名副其實的“萬用”擴展插槽。

PCI插槽是目前主板帶有最多數量的插槽類型，在當前流行的台式機主板上，ATX結構的主板一般帶有5～6個PCI插槽，而小一點的MATX主板也都帶有2～3個PCI插槽。

根據實現方式不同，PCI控制器可以與CPU一次交換32位或64位數據，它允許智能PCI輔助適配器利用一種匯流排主控技術與CPU并行地執行任務。PCI允許多路復用技術，即允許一個以上的電子信號同時存在於匯流排之上。

由於PCI 匯流排只有133MB/s的帶寬，對音效卡、網卡、視頻卡等絕大多數輸入/輸出設備顯得綽綽有餘，但對性能日益強大的顯卡則無法滿足其需求。Intel在2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI匯流排的第三代I/O技術，該規範由Intel支持的AWG(Arapahoe Working Group)負責制定。2002年4月17日，AWG正式宣布3GIO1.0規範草稿制定完畢，並移交PCI-SIG（PCI特別興趣小組，PCI-Special Interest Group）進行審核。開始的時候大家都以為它會被命名為Serial PCI(受到串

行ATA的影響)，但最後卻被正式命名為PCI Express，Express意思是高速、特別快的意思。

PCI-E或稱PCI-Express是最新的匯流排和介面標準，它原來的名稱為“3GIO”，是由英特爾提出的，很明顯英特爾的意思是它代表著下一代I/O介面標準。交由PCI-SIG（PCI特殊興趣組織）認證發布后才改名為“PCI-Express”。這個新標準將全面取代現行的PCI和AGP，最終實現匯流排標準的統一。它的主要優勢就是數據傳輸速率高，目前最高可達到10GB/s以上，而且還有相當大的發展潛力。PCI-Express也有多種規格，從PCI-Express 1X到PCI-Express 16X，能滿足現在和將來一定時間內出現的低速設備和高速設備的需求。能支持PCI-Express的主要是英特爾的i915和i925系列晶元組。

PCI-E採用了流行的點對點串列連接，比起PCI以及更早期的計算機匯流排的共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個匯流排請求帶寬，而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。相對於傳統PCI匯流排在單一時間周期內只能實現單向傳輸，PCI-E的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。

PCI-E的介面根據匯流排位寬不同而有所差異，包括X1、X4、X8以及X16，而X2模式將用於內部介面而非插槽模式。PCI-E規格從1條通道連接到32條通道連接，有非常強的伸縮性，以滿足不同系統設備對數據傳輸帶寬不同的需求。此外，較短的PCI-E卡可以插入較長的PCI-E插槽中使用，PCI-E介面還能夠支持熱拔插，這也是個不小的飛躍。PCI-E X1的250MB/秒傳輸速度已經可以滿足主流聲效晶元、網卡晶元和存儲設備對數據傳輸帶寬的需求，但是遠遠無法滿足圖形晶元對數據傳輸帶寬的需求。因此，用於取代AGP介面的PCI-E介面位寬為X16，能夠提供5GB/s的帶寬，即便有編碼上的損耗但仍能夠提供約為4GB/s左右的實際帶寬，遠遠超過AGP 8X的2.1GB/s的帶寬。

儘管PCI-E技術規格允許實現X1（250MB/秒），X2，X4，X8，X12，X16和X32通道規格，但是依目前形式來看，PCI-E X1和PCI-E X16已成為PCI-E主流規格，同時很多晶元組廠商在南橋晶元當中添加對PCI-E X1的支持，在北橋晶元當中添加對PCI-E X16的支持。除去提供極高數據傳輸帶寬之外，PCI-E因為採用串列數據包方式傳遞數據，所以PCI-E介面每個針腳可以獲得比傳統I/O標準更多的帶寬，這樣就可以降低PCI-E設備生產成本和體積。另外，PCI-E也支持高階電源管理，支持熱插拔，支持數據同步傳輸，為優先傳輸數據進行帶寬優化。

優點：

與PCI匯流排相比，PCI-Express匯流排主要以下優點：

1) PCI-Express是串列匯流排，進行點對點傳輸，每個傳輸通道獨享帶寬。

2) PCI-Express匯流排支持雙向傳輸模式和數據分通道傳輸模式。其中數據分通道傳輸模式即PCI-Express匯流排的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32多通道連接，x1單向傳輸帶寬即可達到250MB/s，雙向傳輸帶寬更能夠達到500MB/s，這個已經不是普通PCI匯流排所能夠相比的了。

3) PCI-Express匯流排充分利用先進的點到點互連、基於交換的技術、基於包的協議來實現新的匯流排性能和特徵。電源管理、服務質量（QoS）、熱插拔支持、數據完整性、錯誤處理機制等也是PCI-Express匯流排所支持的高級特徵。

4) 與PCI匯流排良好的繼承性，可以保持軟體的繼承和可靠性。PCI-Express匯流排關鍵的PCI特徵，比如應用模型、存儲結構、軟體介面等與傳統PCI匯流排保持一致，但是并行的PCI匯流排被一種具有高度擴展性的、完全串列的匯流排所替代。

5) PCI-Express匯流排充分利用先進的點到點互連，降低了系統硬體平台設計的複雜性和難度，從而大大降低了系統的開發製造設計成本，極大地提高系統的性價比和健壯性。系統匯流排帶寬提高同時，減少了硬體PIN的數量，硬體的成本直接下降。

缺點：

1) 并行匯流排無法連接太多設備，匯流排擴展性比較差，線間干擾將導致系統無法正常工作；

2) 當連接多個設備時，匯流排有效帶寬將大幅降低；

3) 為了降低成本和儘可能減少相互間的干擾，需要減少匯流排帶寬，或者地址匯流排和數據匯流排採用復用方式設計，這樣降低了帶寬利用率。 PCI-Express匯流排是為將來的計算機和通訊平台定義的一種高性能，通用I/O互連匯流排。

PCI標準的開發於1990年前後開始於英特爾公司。1992年6月22日，英特爾發表PCI1.0標準，該標準僅限於組件級規範。1993年4月30日，PCI-SIG發表了PCI2.0標準，這個標準第一次建立了連接器與主板插槽間的標準。

PCI標準被立即應用於伺服器中，取代了先前的MCA及EISA，成為伺服器擴展匯流排的不二選擇。在主流個人計算機中，PCI標準則緩慢地取代著VESA局部匯流排（VLB）；直至1994年後期第二代奔騰PC推出后，該標準方得以實現具有重要意義的市場突破。1996年，VLB徹底退出了個人計算機市場，製造廠商甚至將PCI標準應用於486計算機中。EISA標準則與PCI標準共存使用至2000年。蘋果電腦在1995年中期將PCI標準應用於專業產品PowerMacintosh電腦中（而取代了NuBus），而消費者產品MacintoshPerforma則於1996年中期完成了換代（取代了LCPDS）。

後續版本的PCI標準不斷加入了新的功能與性能提升，包括66MHz/3.3V標準，133MHzPCI-X以及適應多種主板板型等。2004年，串列匯流排標準PCI-Express面世后，主板製造商逐漸減少了傳統PCI插槽，而引入PCIExpress介面。雖然這兩種介面還會同時並存，但是傳統的PCI匯流排將會慢慢的消失。