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第I篇PCI体系结构概述

(2011-04-21 13:19:16)
标签:

杂谈

分类: 浅谈PCIe体系结构

PCI(Peripheral Component Interconnect)总线的诞生与PC(Personal Computer)的蓬勃发展密切相关。在处理器体系结构中,PCI总线属于局部总线(Local Bus)。局部总线作为系统总线的延伸,主要功能是为了连接外部设备。

处理器主频的不断提升,要求速度更快,带宽更高的局部总线。起初PC使用8位的XT总线作为局部总线,并很快升级到16位的ISA(Industry Standard Architecture)总线,逐步发展到32位的EISA(Extended Industry Standard Architecture)VESA(Video Electronics Standards Association)MCA(Micro Channel Architecture)总线。

PCI总线规范在上世纪九十年代提出。这条总线推出之后,很快得到了各大主流半导体厂商的认同,迅速统一了当时并存的各类局部总线。EISAVESA等其他32位总线很快就被PCI总线淘汰了。从那时起,PCI总线一直在处理器体系结构中占有重要地位。

在此后相当长的一段时间里,PC处理器系统的大多数外部设备都是直接或者间接地与PCI总线相连。即使目前PCI Express总线逐步取代了PCI总线成为PC局部总线的主流,也不能掩盖PCI总线的光芒。从软件层面上看,PCI Express总线与PCI总线基本兼容;从硬件层面上看,PCI Express总线在很大程度上继承了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(Printed Circuit Board)环境内的,器件之间的互连,而1993430日发布的V2.0规范增加了对PCI插槽的支持。199561日,PCI V2.1总线规范发布,这个规范具有里程碑意义。正是这个规范使得PCI总线大规模普及,至此PCI总线完成了对(E)ISAMCA总线的替换。

1996年,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,真正替代VESA总线的是AGP总线。随后PCISIG(PCI Special Interest Group)陆续发布了PCI总线V2.2V2.3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 Card(Cardbus)规范,而PC Card又升级为ExpressCard规范。

PC Card规范基于32位,33MHzPCI总线;而ExpressCard规范基于PCI ExpressUSB 2.0。这两个规范都在Laptop领域中获得了成功。除了PCMCIA规范外,Mini PCI总线也非常流行,与标准PCI插槽相比,Mini PCI插槽占用面积较小,适用于一些对尺寸有要求的应用。

除了以上规范之外,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。其中PCI-to-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。

PCISIGPCI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133MHz266MHz533MHz的总线频率,并在传送规则上做了一些改动。虽然PCI-X总线还没有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总线规范是IntelPC领域做出的一个巨大贡献。Intel也在PCI总线规范留下了深深的印记,PCI总线规范的许多内容都与基于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,事实上PCI总线在非x86处理器系统上也取得了巨大的成功。目前绝大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,PCIPCI-X总线逐步遇到瓶颈。PCIPCI-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,为了获得更高的总线频率以提高总线带宽,高速串行总线逐步替代了并行总线。PCI Express总线也逐渐替代PCI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,将来也很难会有更多的,使用64位地址的PCI设备。如果读者需要掌握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,如果读者真正掌握了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。

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