第1章 PCI總線的基本知識

PCI總線作為處理器係統的局部總線，主要目的是為了連接外部設備，而不是作為處理器的係統總線連接Cache和主存儲器。但是PCI總線、係統總線和處理器體係結構之間依然存在著緊密的聯係。

PCI總線作為係統總線的延伸，其設計考慮了許多與處理器相關的內容，如處理器的Cache共享一致性和數據完整性，以及如何與處理器進行數據交換等一係列內容。其中Cache共享一致性和數據完整性是現代處理器局部總線的設計的重點和難點，也是本書將重點講述的主題之一。

獨立地研究PCI總線並不可取，因為PCI總線僅是處理器係統的一個組成部分。深入理解PCI總線需要了解一些與處理器體係結構相關的知識。這些知識是本書所側重描述的，同時也是PCI總線規範所忽略的內容。脫離實際的處理器係統，不容易也不可能深入理解PCI總線規範。

對於今天的讀者來說，PCI總線提出的許多概念略顯過時，也有許多不足之處。但是在當年，PCI總線與之前的存在其他並行局部總線如ISA、EISA和MCA總線相比，具有許多突出的優點，是一個全新的設計。

(1)      PCI總線空間與處理器空間隔離

PCI設備具有獨立的地址空間，即PCI總線地址空間，該空間與存儲器地址空間通過HOST主橋隔離。處理器需要通過HOST主橋才能訪問PCI設備，而PCI設備需要通過HOST主橋才能主存儲器。在HOST主橋中含有許多緩衝，這些緩衝使得處理器總線與PCI總線工作在各自的時鍾頻率中，彼此互不幹擾。HOST主橋的存在也使得PCI設備和處理器可以方便地共享主存儲器資源。

處理器訪問PCI設備時，必須通過HOST主橋進行地址轉換；而PCI設備訪問主存儲器時，也需要通過HOST主橋進行地址轉換。HOST主橋的一個重要作用就是將處理器訪問的存儲器地址轉換為PCI總線地址。PCI設備使用的地址空間是屬於PCI總線域的，而與存儲器地址空間不同。

x86處理器對PCI總線域與存儲器域的劃分並不明晰，這也使得許多程序員並沒有準確地區分PCI總線域地址空間與存儲器域地址空間。而本書將反複強調存儲器地址和PCI總線地址的區別，因為這是理解PCI體係結構的重要內容。

PCI規範並沒有對HOST主橋的設計進行約束。每一個處理器廠商使用的HOST主橋，其設計都不盡相同。HOST主橋是聯係PCI總線與處理器的核心部件，掌握HOST主橋的實現機製是深入理解PCI體係結構的前提。

本書將以Freescale的PowerPC處理器和Intel的x86處理器為例，說明各自HOST主橋的實現方式，值得注意的是本書涉及的PowerPC處理器僅針對Freescale的PowerPC處理器，而不包含IBM和AMCC的Power和PowerPC處理器。而且如果沒有特別說明，本書中涉及的x86處理器特指Intel的處理器，而不是其他廠商的x86處理器。

(2)      可擴展性

PCI總線具有很強的擴展性。在PCI總線中，HOST主橋可以直接推出一條PCI總線，這條總線也是該HOST主橋的所管理的第一條PCI總線，該總線還可以通過PCI橋擴展出一係列PCI總線，並以HOST主橋為根節點，形成1顆PCI總線樹。這些PCI總線都可以連接PCI設備，但是在1顆PCI總線樹上，最多隻能掛接256個PCI設備(包括PCI橋)。

在同一條PCI總線上的設備間可以直接通信，並不會影響其他PCI總線上設備間的數據通信。隸屬於同一顆PCI總線樹上的PCI設備，也可以直接通信，但是需要通過PCI橋進行數據轉發。

PCI橋是PCI總線的一個重要組成部件，該部件的存在使得PCI總線極具擴展性。PCI橋也是有別於其他局部總線的一個重要部件。在“以HOST主橋為根節點”的PCI總線樹中，每一個PCI橋下也可以連接一個PCI總線子樹，PCI橋下的PCI總線仍然可以使用PCI橋繼續進行總線擴展。

PCI橋可以管理這個PCI總線子樹，PCI橋的配置空間含有一係列管理PCI總線子樹的配置寄存器。在PCI橋的兩端，分別連接了兩條總線，分別是上遊總線(Primary Bus)和下遊總線(Secondary Bus)。其中與處理器距離較近的總線被稱為上遊總線，另一條被稱為下遊總線。這兩條總線間的通信需要通過PCI橋進行。PCI橋中的許多概念被PCIe總線采納，理解PCI橋也是理解PCIe體係結構的基礎。

(3)      動態配置機製

PCI設備使用的地址可以根據需要由係統軟件動態分配。PCI總線使用這種方式合理地解決了設備間的地址衝突，從而實現了“即插即用”功能。從而PCI總線不需要使用ISA或者EISA接口卡為解決地址衝突而使用的硬件跳線。

每一個PCI設備都有獨立的配置空間，在配置空間中含有該設備在PCI總線中使用的基地址，係統軟件可以動態配置這個基地址，從而保證每一個PCI設備使用的物理地址並不相同。PCI橋的配置空間中含有其下PCI子樹所能使用的地址範圍。

(4)      總線帶寬

PCI總線與之前的局部總線相比，極大提高了數據傳送帶寬，32位/33MHz的PCI總線可以提供132MB/s的峰值帶寬，而64位/66MHz的PCI總線可以提供的峰值帶寬為532MB/s。雖然PCI總線所能提供的峰值帶寬遠不能和PCIe總線相比，但是與之前的局部總線ISA、EISA和MCA總線相比，仍然具有較大的優勢。

ISA總線的最高主頻為8MHz，位寬為16，其峰值帶寬為16MB/s；EISA總線的最高主頻為8.33MHz，位寬為32，其峰值帶寬為33MB/s；而MCA總線的最高主頻為10MHz，最高位寬為32，其峰值帶寬為40MB/s。PCI總線提供的峰值帶寬遠高於這些總線。

(5)      共享總線機製

PCI設備通過仲裁獲得PCI總線的使用權後，才能進行數據傳送，在PCI總線上進行數據傳送，並不需要處理器進行幹預。

PCI總線仲裁器不在PCI總線規範定義的範圍內，也不一定是HOST主橋和PCI橋的一部分。雖然絕大多數HOST主橋和PCI橋都包含PCI總線仲裁器，但是在某些處理器係統的設計中也可以使用獨立的PCI總線仲裁器。如在PowerPC處理器的HOST主橋中含有PCI總線仲裁器，但是用戶可以關閉這個總線仲裁器，而使用獨立的PCI總線仲裁器。

PCI設備使用共享總線方式進行數據傳遞，在同一條總線上，所有PCI設備共享同一總線帶寬，這將極大地影響PCI總線的利用率。這種機製顯然不如PCIe總線采用的交換結構，但是在PCI總線盛行的年代，半導體的工藝、設計能力和製作成本決定了采用共享總線方式是當時的最優選擇。

(6)      中斷機製

PCI總線上的設備可以通過四根中斷請求信號INTA~D#向處理器提交中斷請求。與ISA總線上的設備不同，PCI總線上的設備可以共享這些中斷請求信號，不同的PCI設備可以將這些中斷請求信號“線與”後，與中斷控製器的中斷請求引腳連接。PCI設備的配置空間記錄了該設備使用這四根中斷請求信號的信息。

PCI總線進一步提出了MSI(Message Signal Interrupt)機製，該機製使用存儲器寫總線事務傳遞中斷請求，並可以使用x86處理器FSB(Front Side Bus)總線提供的Interrupt Message總線事務，從而提高了PCI設備的中斷請求效率。

雖然從現代總線技術的角度上看，PCI總線仍有許多不足之處，但也不能否認PCI總線已經獲得了巨大的成功，不僅x86處理器將PCI總線作為標準的局部總線連接各類外部設備，PowerPC、MIPS和ARM處理器也將PCI總線作為標準局部總線。除此之外，基於PCI總線的外部設備，如以太網控製器、聲卡、硬盤控製器等，也已經成為主流。