1.1 PCI總線的組成結構

如上文所述，PCI總線作為處理器係統的局部總線，是處理器係統的一個組成部件，講述PCI總線的組成結構不能離開處理器係統這個大環境。在一個處理器係統中，與PCI總線相關的模塊如圖1?1所示。

如圖1?1所示在一個處理器係統中，與PCI總線相關的模塊包括，HOST主橋、PCI總線、PCI橋和PCI設備。PCI總線由HOST主橋和PCI橋推出，HOST主橋與主存儲器控製器在同一級總線上，PCI設備可以方便地通過HOST主橋訪問主存儲器，即進行DMA操作。

值得注意的是，PCI設備的DMA操作需要與處理器係統的Cache進行一致性操作，當PCI設備通過HOST主橋訪問主存儲器時，Cache一致性模塊將進行地址監聽，並根據監聽的結果改變Cache的狀態。

在一些簡單的處理器係統中，可能不含有PCI橋，此時所有PCI設備都是連接在HOST主橋推出的PCI總線上，此外在一些處理器係統中可能含有多個HOST主橋，如在圖1?1所示的處理器係統中含有HOST主橋x和HOST主橋Y。

1.1.1 HOST主橋

HOST主橋是一個很特別的橋片，其主要功能是隔離處理器係統的存儲器域與處理器係統的PCI總線域，管理PCI總線域，並完成處理器與PCI設備間的數據交換。處理器與PCI設備間的數據交換主要由“處理器訪問PCI設備的地址空間”和“PCI設備使用DMA機製訪問主存儲器”這兩部分組成。

為簡便起見，下文將處理器係統的存儲器域簡稱為存儲器域，而將處理器係統的PCI總線域稱為PCI總線域，存儲器域和PCI總線域的詳細介紹見第2.1節。值得注意的是，在一個處理器係統中，有幾個HOST主橋，就有幾個PCI總線域。

HOST主橋在處理器係統中的位置並不相同，如PowerPC處理器將HOST主橋與處理器集成在一個芯片中。而有些處理器不進行這種集成，如x86處理器使用南北橋結構，處理器內核在一個芯片中，而HOST主橋在北橋中。但是從處理器體係結構的角度上看，這些集成方式並不重要。

PCI設備通過HOST主橋訪問主存儲器時，需要與處理器的Cache進行一致性操作，因此在設計HOST主橋時需要重點考慮Cache一致性操作。在HOST主橋中，還含有許多數據緩衝，以支持PCI總線的預讀機製。

HOST主橋是聯係處理器與PCI設備的橋梁。在一個處理器係統中，每一個HOST主橋都管理了一顆PCI總線樹，在同一顆PCI總線樹上的所有PCI設備屬於同一個PCI總線域。如圖1?1所示，HOST主橋x之下的PCI設備屬於PCI總線x域，而HOST主橋y之下的PCI設備屬於PCI總線y域。在這顆總線樹上的所有PCI設備的配置空間都由HOST主橋通過配置讀寫總線周期訪問。

如果HOST主橋支持PCI V3.0規範的Peer-to-Peer數據傳送方式，那麼分屬不同PCI總線域的PCI設備可以直接進行數據交換。如圖1?1所示，如果HOST主橋y支持Peer-to-Peer數據傳送方式，PCI設備y01可以直接訪問PCI設備01或者PCI設備11，而不需要通過處理器的參與。但是這種跨越總線域的數據傳送方式在PC架構中並不常用，在PC架構中，重點考慮的是PCI設備與主存儲器之間的數據交換，而不是PCI設備之間的數據交換。此外在PC架構中，具有兩個HOST主橋的處理器係統也並不多見。

在PowerPC處理器中，HOST主橋可以通過設置Inbound寄存器，使得分屬於不同PCI總線域的設備可以直接通信。許多PowerPC處理器都具有多個HOST主橋，有關PowerPC處理器使用的HOST主橋詳見第2.2節。

1.1.2 PCI總線

在處理器係統中，含有PCI總線和PCI總線樹這兩個概念。這兩個概念並不相同，在一顆PCI總線樹中可能具有多條PCI總線，而具有血緣關係的PCI總線組成一顆PCI總線樹。如在圖1?1所示的處理器係統中，PCI總線x樹具有兩條PCI總線，分別為PCI總線x0和PCI總線x1。而PCI總線y樹中僅有一條PCI總線。

PCI總線由HOST主橋或者PCI橋管理，用來連接各類設備，如聲卡、網卡和IDE接口卡等。在一個處理器係統中，可以通過PCI橋擴展PCI總線，並形成具有血緣關係的多級PCI總線，從而形成PCI總線樹型結構。在處理器係統中有幾個HOST主橋，就有幾顆這樣的PCI總線樹，而每一顆PCI總線樹都與一個PCI總線域對應。

與HOST主橋直接連接的PCI總線通常被命名為PCI總線0。考慮到在一個處理器係統中可能有多個主橋，圖1?1將HOST主橋x推出的PCI總線命名為x0總線，而將PCI橋x1擴展出的PCI總線稱之為x1總線；而將HOST主橋y推出的PCI總線稱為y0~yn。分屬不同PCI總線樹的設備，其使用的PCI總線地址空間分屬於不同的PCI總線域空間。

1.1.3 PCI設備

在PCI總線中有三類設備，PCI主設備、PCI從設備和橋設備。其中PCI從設備隻能被動地接收來自HOST主橋，或者其他PCI設備的讀寫請求；而PCI主設備可以通過總線仲裁獲得PCI總線的使用權，主動地向其他PCI設備或者主存儲器發起存儲器讀寫請求。而橋設備的主要作用是管理下遊的PCI總線，並轉發上下遊總線之間的總線事務。

一個PCI設備可以即是主設備也是從設備，但是在同一個時刻，這個PCI設備或者為主設備或者為從設備。PCI總線規範將PCI主從設備統稱為PCI Agent設備。在處理器係統中常見的PCI網卡、顯卡、聲卡等設備都屬於PCI Agent設備。

在PCI總線中，HOST主橋是一個特殊的PCI設備，該設備可以獲取PCI總線的控製權訪問PCI設備，也可以被PCI設備訪問。但是HOST主橋並不是PCI設備。PCI規範也沒有規定如何設計HOST主橋。

在PCI總線中，還有一類特殊的設備，即橋設備。橋設備包括PCI橋、PCI-to-(E)ISA橋和PCI-to-Cardbus橋。本篇重點介紹PCI橋，而不關心其他橋設備的實現原理。PCI橋的存在使PCI總線極具擴展性，處理器係統可以使用PCI橋進一步擴展PCI總線。

PCI橋的出現使得采用PCI總線進行大規模係統互連成為可能。但是在目前已經實現的大規模處理器係統中，並沒有使用PCI總線進行處理器係統與處理器係統之間的大規模互連。因為PCI總線是一個以HOST主橋為根的樹型結構，使用主從架構，因而不易實現多處理器係統間的對等互連。

即便如此PCI橋仍然是PCI總線規範的精華所在，掌握PCI橋是深入理解PCI體係結構的基礎。PCI橋可以連接兩條PCI總線，上遊PCI總線和下遊PCI總線，這兩個PCI總線屬於同一個PCI總線域，使用PCI橋擴展的所有PCI總線都同屬於一個PCI總線域。

其中對PCI設備配置空間的訪問可以從上遊總線轉發到下遊總線，而數據傳送可以雙方向進行。在PCI總線中，還存在一種非透明PCI橋，該橋片不是PCI總線規範定義的標準橋片，但是適用於某些特殊應用，本篇將在第2.5節中詳細介紹這種橋片。在本書中，如不特別強調，PCI橋是指透明橋，透明橋也是PCI總線規範定義的標準橋片。

PCI-to-(E)ISA橋和PCI-to-Cardbus橋的主要作用是通過PCI總線擴展(E)ISA和Cardbus總線。在PCI總線推出之後，(E)ISA總線並沒有在處理器係統中立即消失，此時需要使用PCI-(E)ISA橋擴展(E)ISA總線，而使用PCI-to-Cardbus橋用來擴展Cardbus總線，本篇並不關心(E)ISA和Cardbus總線的設計與實現。

1.1.4 HOST處理器

PCI總線規定在同一時刻內，在一顆PCI總線樹上有且隻有一個HOST處理器。這個HOST處理器可以通過HOST主橋，發起PCI總線的配置請求總線事務，並對PCI總線上的設備和橋片進行配置。

在PCI總線中，HOST處理器是一個較為模煳的概念。在SMP(symmetric multiprocessing)處理器係統中，所有CPU都可以通過HOST主橋訪問其下的PCI總線樹，這些CPU都可以作為HOST處理器。但是值得注意的是，HOST主橋才是PCI總線樹的實際管理者，而不是HOST處理器。

在HOST主橋中，設置了許多寄存器，HOST處理器通過操作這些寄存器管理這些PCI設備。如在x86處理器的HOST主橋中設置了0xCF8和0xCFC這兩個I/O端口訪問PCI設備的配置空間，而PowerPC處理器的HOST主橋設置了CFG_ADDR和CFG_DATA寄存器訪問PCI設備的配置空間。值得注意的是，在PowerPC處理器中並沒有I/O端口，因此使用存儲器映像尋址方式訪問外部設備的寄存器空間。

1.1.5 PCI總線的負載

PCI總線的所能掛接的負載與總線頻率相關，其中總線頻率越高，所能掛接的負載越少。下文以 PCI總線和PCI-X總線為例說明總線頻率、峰值帶寬和負載能力之間的關係，如表1?1所示。

 1?1 PCI總線頻率、帶寬與負載之間的關係

 

由表1?1所示，PCI總線頻率越高，所能掛接的負載越少，但是整條總線所能提供的帶寬越大。值得注意的是，PCI-X總線與PCI總線的傳送協議略有不同，因此66MHz的PCI-X總線的負載數較大，PCI-X總線的詳細說明見第1.5節。當PCI-X總線頻率為266MHz和533MHz時，該總線隻能掛接一個PCI-X插槽。在PCI總線中，一個插槽相當於兩個負載，接插件和插卡各算為一個負載，在表1?1中，33MHz的PCI總線可以掛接4~5個插槽，相當於直接掛接8~10個負載。