文章目錄

• 1. 簡介
• • 1.1 總線特點
  • 1.2 總線接口
  • 1.3 拓撲模式
• 2. 傳輸協議
• • 2.1 傳輸模式
  • 2.2 時序圖
  • 2.3 PCI-X總線基本概念
  • 2.4 PCI傳輸速率
• 3. 小結

1. 簡介

PCI（Peripheral Component Interconnect）總線協議由Intel在1992年提出，是一種局部并行總線,PCI常見的時鐘頻率為33MHz,32bit位寬，速率為133MB/s,作為擴展接口，主要用于外圍設備的連接和擴展，是以前將聲音，視頻和網卡連接到主板的通用功能方法，但由于這些外設的速度越來越快，CPI總線的傳輸速度已經不能滿足需求了，所以目前都是PCIe接口

1.1 總線特點

并行總線，地址和數據共用一個總線。

由于PCI總線是共享總線，所以需要特定的仲裁器（Arbiter）來決定當前時刻的總線的控制權。一般該仲裁器位于北橋中，而仲裁器（主機）則通過一對引腳，REQ#（request） 和GNT# （grant）來與各個從機連接。如下圖所示：

最初的PCI總線的時鐘頻率為33MHz，但是隨著版本的更新，時鐘頻率也逐漸的提高。但是由于PCI采用的是一種Reflected-Wave Signaling信號模型（后面會詳細的介紹），導致了時鐘頻率越高，總線的最大負載越少

1.2 總線接口

1.3 拓撲模式

PCI總線是一種樹型結構，并且獨立于CPU總線，可以和CPU總線并行操作。PCI總線上可以掛接PCI設備和PCI橋，PCI總線上只允許有一個PCI主設備（同一時刻），其他的均為PCI 從設備，而且讀寫操作只能在主從設備之間進行，從設備之間的數據交換需要通過主設備中轉。
注：這并不意味著所有的讀寫操作都需要通過北橋中轉，因為PCI總線上的主設備和從設備屬性是可以變化的。

處理器通過FSB與北橋相連接
北橋上掛載著圖形加速器（顯卡）、SDRAM（內存）和PCI總線
PCI總線上掛載著南橋、北橋、以太網、SCSI總線（一種老式的小型機總線）和若干個PCI插槽
CD和硬盤則通過IDE連接至南橋，音頻設備以及打印機、鼠標和鍵盤等也連接至南橋，此外南橋還提供若干的USB接口

2. 傳輸協議

2.1 傳輸模式

PCI Spec規定的三種數據傳輸模型：Programmed I/O（PIO），Peer-to-Peer和DMA

Programmed I/O（PIO）
PIO在早期的PC中被廣泛使用，因外當時的處理器的速度要遠遠大于任何其他外設的速度，所以PIO足以勝任所有的任務。比如說某一個PCI設備需要向內存（SDRAM）中寫入一些數據，該PCI設備會向CPU請求一個中斷，然后CPU首先先通過PCI總線把該PCI設備的數據讀取到CPU內部的寄存器中，然后再把數據從內部寄存器寫入到內存（SDRAM）中。

DMA，即Direct Memory Access
DMA是一種在傳輸過程中，幾乎不需要CPU進行干預的數據傳輸方式。如上面的圖片所示，以太網可以直接向內存（SDRAM）中寫入數據，而幾乎不需要CPU的干預。

Peer-to-Peer
我們介紹過PCI總線系統中的主機身份并不是固定不變的，而是可以切換的（借助仲裁器），但是同一時刻只能存在一個主機。完成Peer-to-Peer這一傳輸方式的前提是，PCI總線系統中至少存在一個有能力成為主機的設備。在仲裁器的控制下，完成主機身份的切換，進而獲得PCI總線的控制權，然后與總線上的其他PCI設備進行通信。

2.2 時序圖

PCI總線是一種地址和數據復用的總線，即地址和數據占用同一組信號線AD。PCI總線的所有信號都與時鐘信號同步，及所有的信號的變化都發生在時鐘的上升沿，或者在時鐘上升沿進行采樣。

除了時鐘信號CLK和數據地址復用信號AD之外，PCI總線至少還應包括FRAME#（用于表示一次數據傳輸的起始）、C/BE#（Command/Byte Enable）、IRDY#（Initiator Ready for data）、TRDY#（Target ready）、DESEL#（Device Selec，片選信號，用于選擇PCI設備）和GNT#（Grant）信號等。

注：完整的信號時序圖，請參考PCI Spec。信號名后面的#表示該信號低電平有效。

1、在第一個時鐘上升沿，FRAME#和IRDY#都為inactive，表明總線當前處于空閑狀態。與此同時，某個設備的GNT#信號處于active，表明總線總裁器已經選定當前設備為下一個initiator（可以理解為主機）。

2、在第二個時鐘上升沿，FRAME#被initiator拉低，表明新的事務（Transaction）已經開始。與此同時，地址和命令被依次發送到AD上，總線上面的所有其他設備（從機）都會鎖存這些信息，并檢查地址和命令是否與自己匹配。

3、在第三個時鐘上升沿，IRDY#處于active狀態，表明主機準備就緒，可以接收數據了。AD信號上的旋轉的箭頭表示AD信號目前處于三態狀態（處于輸出和輸入的轉換狀態），即Turn‐around cycle。需要注意的是，此時的TRDY#應當處于inactive狀態，以保證Turn‐around cycle順利進行。

4、在第四個時鐘上升沿，PCI總線上的某個從機確認身份，并依次將DEVSEL#信號和TRDY#拉低，并將相應的數據輸出到AD上。此時，FRAME#信號為active狀態，表明這并不是最后一個數據。

5、在第五個時鐘上升沿，TRDY#處于inactive狀態，表明從機尚未就緒，因此所有的操作暫緩一個時鐘周期（或者說插入了一個Wait State）。PCI總線最多允許8個這樣的Wait State。

6、在第六個時鐘上升沿，從機向主機發送第二個數據。此時，FRAME#信號依舊為active狀態，表明這并不是最后一個數據。

7、在第七個時鐘上升沿，IRDY#處于inactive狀態，表明主機尚未就緒，再次插入一個Wait State。但是此時從機依舊可以向AD上發送數據。

8、在第八個時鐘上升沿，AD上的第三個數據被發送至主機，由于此時FRAME#信號被拉高，即inactive，表明這是本次事務（Transaction）的最后一個數據。此后，所有的控制信號均被拉高，處于inactive狀態，AD、FRAME#和C/BE#處于三態狀態。

2.3 PCI-X總線基本概念

從硬件層面上來說，PCI-X繼承了PCI總線中的Reflected-Wave Signaling，但是在信號的輸入端加入了輸入寄存器以增強時序性能，提高了總線的時鐘頻率。
然而，有意思的是，PCI-X2.0似乎生不逢時，雖然它顯著地提高了PCI總線的帶寬，但依舊無法掩蓋并行總線在高速總線數據傳輸中劣勢。PCI-X2.0總線雖然性能優異，但是卻幾乎很少得到應用，由于其高功耗高成本，且并行總線的引腳過多，需要極其復雜的PCB設計，導致PCI-X2.0只在極少數高端的市場中得到了應用（如服務器市場等）。導致PCI-X2.0未能達到大規模應用的另一個因素就是PCI Express（PCIe）總線時代的到來，其標志著高速串行總線取代傳統的并行總線的時代的開端。

2.4 PCI傳輸速率

3. 小結

PCI總線是一種并行總線，獨立于系統總線，PCI空間與處理器空間隔離，處理器需要通過Host bridge才能訪問PCI設備，而PCI設備需要通過Host bridge才能主存儲器。并且在Host bridge中含有許多緩沖，這些緩沖使得處理器總線與PCI總線工作在各自的時鐘頻率中。

參考鏈接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26172972

總結

以上是生活随笔為你收集整理的总线通信协议-PCI的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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