PCI总线技术讲座

2012年11月15日

从1992年创立规范到如今，PCI总线已成为了事实上计算机的标准总线。由PCI总线构成的标准系统结构如图一所示。

PCI总线渐渐地取代了ISA总线。它有许多优点，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。

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。

一、基本概念

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。

32bit PCI系统的管脚按功能来分有以下几类：

系统控制： CLK，PCI时钟，上升沿有效
RST ，Reset信号
传输控制： FRAME#，标志传输开始与结束
IRDY#，Master可以传输数据的标志
DEVSEL#，当Slave发现自己被寻址时置低应答
TRDY#，Slave可以转输数据的标志
STOP#，Slave主动结束传输数据的信号
IDSEL，在即插即用系统启动时用于选中板卡的信号
地址与数据总线： AD[31::0]，地址/数据分时复用总线
C/BE#[3::0]，命今/字节使能信号
PAR，奇偶校验信号
仲裁号： REQ#，Master用来请求总线使用权的信号
GNT#，Arbiter允许Master得到总线使用权的信号
错误报告： PERR#，数据奇偶校验错
SERR#，系统奇偶校验错

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，目前流行的北桥芯片一般可以做到100MB/s的连续传输。

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二、即插即用的实现

所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不象旧的ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。

实际的实现远比说起来要复杂。在PCI板卡中，有一组寄存器，叫"配置空间"(Configuration Space)，用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。

以内存地址为例。当上电时，板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要跟据这个信息分配内存，并在分配成功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。

三、中断共享的实现

ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的，而我们知道计算机的中断号只有16个，系统又用掉了一些，这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。

PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。

硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会回复高电平。(请参考图四所示电路)

软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡A用了中断7，就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR_A；然后系统发现板卡B也用中断7，这时就会将中断7对应的内存区指向ISR_B，同时将ISR_B的结束指向ISR_A。以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7对应的内存，也就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B卡的中断，如果是，要处理，并将板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼叫ISR_A。这样就完成了中断的共享。