計(jì)算機(jī)pci總線及設(shè)備介紹知識(shí)分享

計(jì)算機(jī)PCI總線及設(shè)備介紹1.PCI術(shù)語解釋總線發(fā)展歷史回顧什么是總線?所謂總線，籠統(tǒng)來講，就是一組進(jìn)行互連和傳輸信息（指令、數(shù)據(jù)和地址）的信號(hào)線。計(jì)算機(jī)的總線都是有特定的含義。如“局部總線”、“系統(tǒng)總線”等。在以Windows為代表的圖形用戶接口(GUI)進(jìn)入PC機(jī)之后，要求有高速的圖形描繪能力和I/O處理能力。這不僅要求圖形適配卡要改善其性能，也對(duì)總線的速度提出了挑戰(zhàn)。實(shí)際上當(dāng)時(shí)外設(shè)的速度已有了很大的提高，如硬磁盤與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸率已達(dá)10MB/s以上，圖形控制器和顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸率也達(dá)到69MB/s。通常認(rèn)為I/O總線的速度應(yīng)為外設(shè)速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)要求，而成為整個(gè)系統(tǒng)的主要瓶頸。

局部總線是PC體系結(jié)構(gòu)的重大發(fā)展。它打破了數(shù)據(jù)I/O的瓶頸，使高性能CPU的功能得以充分發(fā)揮。從結(jié)構(gòu)上看，所謂局部總線是在ISA總線和CPU總線之間增加的一級(jí)總線或管理層。這樣可將一些高速外設(shè)，如圖形卡、硬盤控制器等從ISA總線上卸下而通過局部總線直接掛接到CPU總線上，使之與高速的CPU總線相匹配。

采用PCI總線后，數(shù)據(jù)寬度升級(jí)到64位，總線工頻率為33.3MHZ，數(shù)據(jù)傳輸率（帶寬）達(dá)266MB/S。所以采用PCI總線解決了數(shù)據(jù)的I/O瓶頸，使計(jì)算機(jī)更好地發(fā)揮性能。

這是微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件（插板）之間進(jìn)行連接和傳輸信息的一組信號(hào)線。例如ISA總線。由于它只具有16位數(shù)據(jù)寬度，最高工作頻率為8MHz，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只能達(dá)到16MB/S。通信總線是系統(tǒng)之間或微機(jī)系統(tǒng)與設(shè)備之間進(jìn)行通信的一組信號(hào)線。總線分類局部總線系統(tǒng)總線通信總線PCI總線

PCI總線中文稱局部總線(總線是計(jì)算機(jī)用于把信息從一個(gè)設(shè)備傳送到另一個(gè)設(shè)備的高速通道)，英文全稱是PeripheralComponentInterconnection。一種由Inter公司推出的用于定義局部總線的規(guī)范。此規(guī)范允許在計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝多達(dá)10個(gè)遵從PCI規(guī)范的擴(kuò)展卡。PCI總線系統(tǒng)要求有一個(gè)PCI控制卡，它必須安裝在一個(gè)PCI插槽內(nèi)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式，PCI控制器可以與CPU一次交換32位或64位數(shù)據(jù)，它允許智能PCI輔助適配器利用一種總線主控技術(shù)與CPU并行地執(zhí)行任務(wù)。PCI允許多路復(fù)用技術(shù)，即允許一個(gè)以上的電子信號(hào)同時(shí)存在于總線之上。PCI插槽PCI插槽是基于PCI局部總線（PeripheralComponentInterconnect，周邊元件擴(kuò)展接口）的擴(kuò)展插槽，其顏色一般為乳白色，位于主板上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(shù)據(jù)傳輸率為133MB/sec（32位）和266MB/sec（64位）?？刹褰语@卡、聲卡、網(wǎng)卡、內(nèi)置Modem、內(nèi)置ADSLModem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、電視卡、視頻采集卡以及其它種類繁多的擴(kuò)展卡。PCI插槽是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎所有外接功能。右圖中左側(cè)最長(zhǎng)的插槽為ISA插槽（黑色），中間白色的為PCI插槽，右邊棕色的插槽為AGP插槽。2.PCI總線發(fā)展史回顧總線的發(fā)展歷程

-ISA總線

-PCI總線

-PCI總線危機(jī)

-PCIExpress應(yīng)運(yùn)而生

回顧總線的發(fā)展歷程回顧總線的發(fā)展歷程

(ISA總線)ISA總線的出現(xiàn)最早的PC總線是IBM公司1981年在PC/XT電腦采用的系統(tǒng)總線，它基于8bit的8088處理器，被稱為PC總線或者PC/XT總線。在1984年的時(shí)候，IBM推出基于16-bitIntel80286處理器的PC/AT電腦，系統(tǒng)總線也相應(yīng)地?cái)U(kuò)展為16bit，并被稱呼為PC/AT總線。而為了開發(fā)與IBMPC兼容的外圍設(shè)備，行業(yè)內(nèi)便逐漸確立了以IBMPC總線規(guī)范為基礎(chǔ)的ISA（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)：IndustryStandardArchitecture）總線。ISA總線的發(fā)展ISA是8/16bit的系統(tǒng)總線，最大傳輸速率僅為8MB/s，但允許多個(gè)CPU共享系統(tǒng)資源。由于兼容性好，它在上個(gè)世紀(jì)80年代是最廣泛采用的系統(tǒng)總線，不過它的弱點(diǎn)也是顯而易見的，比如傳輸速率過低、CPU占用率高、占用硬件中斷資源等。后來在PC‘98規(guī)范中，就開始放棄了ISA總線，而Intel從i810芯片組開始，也不再提供對(duì)ISA接口的支持。ISA總線的衰落使用286和386SX以下CPU的電腦似乎和8/16bitISA總線還能夠相處融洽，但當(dāng)出現(xiàn)了32-bit外部總線的386DX處理器之后，總線的寬度就已經(jīng)成為了嚴(yán)重的瓶頸，并影響到處理器性能的發(fā)揮。因此在1988年，康柏、惠普等9個(gè)廠商協(xié)同把ISA擴(kuò)展到32-bit，這就是著名的EISA（ExtendedISA，擴(kuò)展ISA）總線。EISA總線的工作頻率仍舊僅有8MHz，并且與8/16bit的ISA總線完全兼容，由于是32-bit總線的緣故，帶寬提高了一倍，達(dá)到了32MB/s.可惜的是，EISA仍舊由于速度有限，并且成本過高，在還沒成為標(biāo)準(zhǔn)總線之前，在20世紀(jì)90年代初的時(shí)候，就給PCI總線給取代了。回顧總線的發(fā)展歷程

(PCI總線)PCI總線的出現(xiàn)CPU的飛速發(fā)展，ISA/EISA逐漸顯現(xiàn)出疲態(tài)，跟不上時(shí)代的步伐。當(dāng)時(shí)CPU的速度甚至還高過總線的速度，造成硬盤、顯示卡還有其它的外圍設(shè)備只能通過慢速并且狹窄的瓶頸來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，使得整機(jī)的性能受到嚴(yán)重的影響。為了解決這個(gè)問題，1992年Intel在發(fā)布486處理器的時(shí)候，也同時(shí)提出了32-bit的PCI（周邊組件互連）總線。PCI總線的發(fā)展最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達(dá)到了133MB/s（33MHzX32bit/8），比ISA總線有了極大的改善，基本上滿足了當(dāng)時(shí)處理器的發(fā)展需要。隨著對(duì)更高性能的要求，1993年提出此了64-bit的PCI總線，后來又提出把PCI總線的頻率提升到66MHz.目前廣泛采用的是32-bit、33MHz的PCI總線。PCI總線的衰落PCI總線是獨(dú)立于CPU的系統(tǒng)總線，采用了獨(dú)特的中間緩沖器設(shè)計(jì)，可將顯示卡、聲卡、網(wǎng)卡、硬盤控制器等高速的外圍設(shè)備直接掛在CPU總線上，打破了瓶頸，使得CPU的性能得到充分的發(fā)揮。可惜的是，由于PCI總線只有133MB/s的帶寬，對(duì)付聲卡、網(wǎng)卡、視頻卡等絕大多數(shù)輸入/輸出設(shè)備也許顯得綽綽有余，但對(duì)于胃口越來越大的3D顯卡卻力不從心，并成為了制約顯示子系統(tǒng)和整機(jī)性能的瓶頸。因此，PCI總線的補(bǔ)充——AGP總線就應(yīng)運(yùn)而生了。Intel于1996年7月正式推出了AGP（加速圖形接口，AcceleratedGraphicsPort）接口，這是顯示卡專用的局部總線，是基于PCI2.1版規(guī)范并進(jìn)行擴(kuò)充修改而成，工作頻率為66MHz，1X模式下帶寬為266MB/S，是PCI總線的兩倍。后來依次又推出了AGP2X、AGP4X，現(xiàn)在則是AGP8X，傳輸速度達(dá)到了2.1GB/S.回顧總線的發(fā)展歷程

(PCI總線危機(jī))危機(jī)產(chǎn)生

利用PCI總線技術(shù)的顯示卡，第一次真正地實(shí)現(xiàn)了多媒體效果，并且可以支持增強(qiáng)色和真彩色等色彩模式，這與當(dāng)時(shí)只能支持256色的VESAVLB顯示卡相比，簡(jiǎn)直是不可思義。

如果計(jì)算機(jī)只需要進(jìn)行上網(wǎng)瀏覽和軟件下載等簡(jiǎn)單的應(yīng)用，PCI技術(shù)也就足夠了。然而時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼就到了2004年，新的技術(shù)和設(shè)備層出不窮，特別是游戲和多媒體應(yīng)用越來越廣泛，PCI的工作頻率和帶寬都已經(jīng)無法滿足需求。此外，PCI還存在IRQ共享沖突，只能支持有限數(shù)量設(shè)備等問題。硬件改良的限制PCI現(xiàn)在已經(jīng)接近了其性能的極限，工作頻率很難提高，工作電壓無法輕易降低，同步時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸受到信號(hào)失真的限制，而且其信號(hào)路由原則對(duì)經(jīng)濟(jì)有效的FR4技術(shù)是一種限制。雖然也有很多旨在跨越這些限制，以創(chuàng)造更高帶寬的通用I/O總線方法，無奈它們?cè)趯?dǎo)致了成本急劇升高之外，對(duì)性能的增益卻是少之又少。PCI規(guī)格應(yīng)用的限制現(xiàn)今的軟件應(yīng)用對(duì)硬件平臺(tái)提出了更多的要求，特別是I/O子系統(tǒng)。用臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦等設(shè)備，來處理不同來源的視頻和音頻數(shù)據(jù)流已經(jīng)司空見慣了，而在PCI2.2或者PCI-X規(guī)范里對(duì)這種與時(shí)間有關(guān)的數(shù)據(jù)卻缺乏相關(guān)的支持。比如視頻點(diǎn)播和音頻再分配等應(yīng)用都使服務(wù)器受到實(shí)時(shí)限制。此外，如今的平臺(tái)需要越來越高的帶寬來處理多種同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，不能再以同樣方式對(duì)等處理所有的數(shù)據(jù)了，因?yàn)檠舆t的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與沒有數(shù)據(jù)一樣都毫無意義。處理器總線隨著頻率和電壓一直都在穩(wěn)定增長(zhǎng)，而內(nèi)存的帶寬為了保持與處理器的速度，也在提高著。但就像圖中所示，芯片組充當(dāng)?shù)氖莔emoryhub和I/Ohub的作用，內(nèi)存總線一直在隨著處理器的更新?lián)Q代而改變著。由于總線的帶寬是有限的，因此在內(nèi)存帶寬提升的同時(shí)，I/O總線也被逐漸減少?；仡櫩偩€的發(fā)展歷程

(PCIExpress應(yīng)運(yùn)而生)PCIExpress總線的出現(xiàn)對(duì)于整個(gè)電腦架構(gòu)來說，PCI總線只有可憐的133MB/S，帶寬早已是不堪負(fù)荷，處處堵塞。在經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)10年的修修補(bǔ)補(bǔ)，PCI總線已經(jīng)無法滿足電腦性能提升的要求，必須由帶寬更大、適應(yīng)性更廣、發(fā)展?jié)摿Ω畹男乱粠Э偩€取而代之，這就是PCIExpress總線，由于是第三代輸入/輸出總線，所以簡(jiǎn)稱3GIO（Third-GenerationInput/Output），另外它的開發(fā)代號(hào)是Arapahoe，所以又稱為Arapahoe總線。PCIExpress總線的發(fā)展

Intel在2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI總線的第三代I/O技術(shù)，該規(guī)范由Intel支持的AWG（ArapahoeWorkingGroup）負(fù)責(zé)制定。在2002年4月17日，AWG正式宣布3GIO1.0規(guī)范草稿制定完畢，并移交PCI-SIG進(jìn)行審核。開始的時(shí)候大家都以為它會(huì)被命名為SerialPCI（受到串行ATA的影響），但最后卻被正式命名為PCIExpress，Express意思是高速、特別快的意思。

2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCIExpress1.0規(guī)范，并且根據(jù)開發(fā)藍(lán)圖，將在2006年的時(shí)候正式推出Spec2.0（2.0規(guī)范），這就意味著在將后的3年內(nèi)是Spec1.0的推廣期，2004可以說是PCIExpress年，市場(chǎng)上出現(xiàn)了大量的支持PCIExpress規(guī)范的產(chǎn)品。PCIExpress主要應(yīng)用領(lǐng)域在桌面電腦的應(yīng)用在桌面電腦來說，它不僅帶來了帶寬的增加，還同時(shí)帶來了巨大的性能增益。前面我們說到了，現(xiàn)時(shí)的PCI總線無法適應(yīng)流媒體和即時(shí)通訊的需要，而PCIExpress則能夠很好地解決這個(gè)問題。此外，它還能夠支持更多的I/O設(shè)備，并且完全不需要擔(dān)心不同的設(shè)備會(huì)占用中斷的問題，因此它沒有這個(gè)缺陷。更為重要的是，PCIExpress的引入，更是令游戲和多媒體愛好者欣喜若狂。由于它海量的帶寬，基本上可以滿足圖形處理器在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的需要，帶來了更好的顯示效果，真正的采用電影化引擎的游戲，將在很短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。在移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的應(yīng)用在移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)來說，PCIExpress還支持更好的電源管理功能，在便攜式計(jì)算平臺(tái)可以說是受益菲淺。再加上Intel引入了全新的主板和電源規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)計(jì)商們也能夠更加靈活，設(shè)計(jì)出革新的產(chǎn)品。移動(dòng)更加簡(jiǎn)便、性能更加強(qiáng)大、計(jì)算更加巧妙。在企業(yè)級(jí)別的應(yīng)用

在企業(yè)級(jí)別的應(yīng)用，性能和帶寬將比臺(tái)式電腦得到進(jìn)一步的提升。隨之而來的是，可靠性、適用性、靈活性也同時(shí)得到了很大的改善。而且，PCIExpress就像USB一樣，支持熱插拔和熱交換，因此它能夠保持服務(wù)器和工作站無間斷地運(yùn)作，避免由于升級(jí)或者更換硬件停機(jī)而帶來的損失。在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用在通訊領(lǐng)域來說，PCIExpress可以帶來商業(yè)&集中化的計(jì)算處理，建立標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)段環(huán)境，提高服務(wù)質(zhì)量和使配置更加靈活?？偟膩碚f，PCIExpress為未來10年內(nèi)的計(jì)算和通訊平臺(tái)，提供了先進(jìn)的功能。3.PCI技術(shù)規(guī)格簡(jiǎn)介

PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PCI總線的分類從1992年創(chuàng)立規(guī)范到如今，PCI總線已成為了事實(shí)上計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線漸漸地取代了ISA總線。它有許多優(yōu)點(diǎn)，比如即插即用(PlugandPlay)、中斷共享等。

從數(shù)據(jù)寬度上看，PCI總線有32bit、64bit之分；從總線速度上分，有33MHz、66MHz兩種。目前流行的是32bit@33MHz，而64bit系統(tǒng)正在普及中。改良的PCI系統(tǒng)，PCI-X，最高可以達(dá)到64bit@133MHz，這樣就可以得到超過1GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果沒有特殊說明，以下的討論以32bit@33MHz為例。一、基本概念基本概念I(lǐng)不同于ISA總線，PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的。這樣做的好處是，一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實(shí)現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由一個(gè)PCI設(shè)備做發(fā)起者(主控，Initiator或Master)，而另一個(gè)PCI設(shè)備做目標(biāo)(從設(shè)備，Target或Slave)?？偩€上的所有時(shí)序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時(shí)刻只能供一對(duì)設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個(gè)仲裁機(jī)構(gòu)(Arbiter)，來決定在誰有權(quán)力拿到總線的主控權(quán)。基本概念I(lǐng)I32bitPCI系統(tǒng)的管腳按功能分成下幾類：

系統(tǒng)控制：CLK，PCI時(shí)鐘，上升沿有效RST，Reset信號(hào)傳輸控制：FRAME#，標(biāo)志傳輸開始與結(jié)束IRDY#，Master可以傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)志DEVSEL#，當(dāng)Slave發(fā)現(xiàn)自己被尋址時(shí)置低應(yīng)答TRDY#，Slave可以轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)的標(biāo)志STOP#，Slave主動(dòng)結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)IDSEL，在即插即用系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)用于選中板卡的信號(hào)地址與數(shù)據(jù)總線：AD[31::0]，地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線C/BE#[3::0]，命今/字節(jié)使能信號(hào)PAR，奇偶校驗(yàn)信號(hào)仲裁號(hào)：REQ#，Master用來請(qǐng)求總線使用權(quán)的信號(hào)GNT#，Arbiter允許Master得到總線使用權(quán)的信號(hào)錯(cuò)誤報(bào)告：PERR#，數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)SERR#，系統(tǒng)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)

基本概念I(lǐng)IIPCI總線基本操作當(dāng)PCI總線進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)起者(Master)先置REQ#，當(dāng)?shù)玫街俨闷?Arbiter)的許可時(shí)(GNT#)，會(huì)將FRAME#置低，并在AD總線上放置Slave地址，同時(shí)C/BE#放置命令信號(hào)，說明接下來的傳輸類型。所有PCI總線上設(shè)備都需對(duì)此地址譯碼，被選中的設(shè)備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然后當(dāng)IRDY#與TRDY#都置低時(shí)，可以傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)Master數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，將FRAME#置高以標(biāo)明只剩最后一組數(shù)據(jù)要傳輸，并在傳完數(shù)據(jù)后放開IRDY#以釋放總線控制權(quán)。這里我們可以看出，PCI總線的傳輸是很高效的，發(fā)出一組地址后，理想狀態(tài)下可以連續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)，峰值速率為132MB/s。實(shí)際上，目前流行的33M@32bit北橋芯片一般可以做到100MB/s的連續(xù)傳輸。PCI總線基本操作圖示二、即插即用的實(shí)現(xiàn)即插即用的實(shí)現(xiàn)I所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號(hào)等，并自動(dòng)尋找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。而不象舊的ISA板卡，需要進(jìn)行復(fù)雜的手動(dòng)配置。

實(shí)際的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)比說起來要復(fù)雜。在PCI板卡中，有一組寄存器，叫"配置空間"(ConfigurationSpace)，用來存放基地址與內(nèi)存地址，以及中斷等信息。

以內(nèi)存地址為例。當(dāng)上電時(shí)，板卡從ROM里讀取固定的值放到寄存器中，對(duì)應(yīng)內(nèi)存的地方放置的是需要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)等信息。操作系統(tǒng)要跟據(jù)這個(gè)信息分配內(nèi)存，并在分配成功后把相應(yīng)的寄存器中填入內(nèi)存的起始地址。這樣就不必手工設(shè)置開關(guān)來分配內(nèi)存或基地址了。對(duì)于中斷的分配也與此類似。三、中斷共享的實(shí)現(xiàn)中斷共享的實(shí)現(xiàn)IISA卡的一個(gè)重要局限在于中斷是獨(dú)占的，而我們知道計(jì)算機(jī)的中斷號(hào)只有16個(gè)，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時(shí)就會(huì)有問題了。

PCI總線的中斷共享由硬件