PCI總線概述

各種PCI總線產(chǎn)品
經(jīng)過幾年的發(fā)展，PCI總線以其優(yōu)越的電性能獲得了業(yè)界的一致認(rèn)可。同時利用PCI總線的電性能，結(jié)合不同的機械結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了各種各樣的總線。在此做一簡要介紹：
CPCI總線：將PCI總線與歐規(guī)卡的機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有抗振性能好、高可用性等優(yōu)點，而且可以支持熱插拔(Hot Swap)、后走線(Rear IO)，目前在電信、軍工、交通等領(lǐng)域正在得到廣泛的應(yīng)用。
PXI總線：在CPCI基礎(chǔ)上加入同步時鐘、觸發(fā)等量測專用總線，在測量、控制領(lǐng)域正得到越來越多的應(yīng)用。
PC104 Plus總線：將PCI總線與PC104板的機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有效率高、維護(hù)量少、體積小型等特點，在各種嵌入式應(yīng)用中很受歡迎。
另外還有筆記本電腦常用的PCMCIA總線、電信行業(yè)中最近配合CPCI使用的PMC等等，電特性都是PCI總線。
從1992年創(chuàng)立規(guī)范到如今，PCI總線已成為了事實上計算機的標(biāo)準(zhǔn)總線。由PCI總線構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一所示。

PCI總線漸漸地取代了ISA總線。它有許多優(yōu)點，比如即插即用(Plug and Play)、中斷共享等。在這里我們對PCI總線做一個深入的介紹。
從數(shù)據(jù)寬度上看，PCI總線有32bit、64bit之分；從總線速度上分，有33MHz、66MHz兩種。目前流行的是32bit @ 33MHz，而64bit系統(tǒng)正在普及中。改良的PCI系統(tǒng)，PCI-X，最高可以達(dá)到64bit @ 133MHz，這樣就可以得到超過1GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果沒有特殊說明，以下的討論以32bit @ 33MHz為例。
一、基本概念
不同于ISA總線，PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時復(fù)用的。這樣做的好處是，一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時，由一個PCI設(shè)備做發(fā)起者(主控，Initiator或Master)，而另一個PCI設(shè)備做目標(biāo)(從設(shè)備，Target或Slave)。總線上的所有時序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時刻只能供一對設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機構(gòu)(Arbiter)，來決定在誰有權(quán)力拿到總線的主控權(quán)。
32bit PCI系統(tǒng)的管腳按功能來分有以下幾類：
系統(tǒng)控制： CLK，PCI時鐘，上升沿有效
RST ，Reset信號
傳輸控制： FRAME#，標(biāo)志傳輸開始與結(jié)束
IRDY#，Master可以傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)志
DEVSEL#，當(dāng)Slave發(fā)現(xiàn)自己被尋址時置低應(yīng)答
TRDY#，Slave可以轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)的標(biāo)志
STOP#，Slave主動結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)的信號
IDSEL，在即插即用系統(tǒng)啟動時用于選中板卡的信號
地址與數(shù)據(jù)總線： AD[31::0]，地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用總線
C/BE#[3::0]，命今/字節(jié)使能信號
PAR，奇偶校驗信號
仲裁號： REQ#，Master用來請求總線使用權(quán)的信號
GNT#，Arbiter允許Master得到總線使用權(quán)的信號
錯誤報告： PERR#，數(shù)據(jù)奇偶校驗錯
SERR#，系統(tǒng)奇偶校驗錯

當(dāng)PCI總線進(jìn)行操作時，發(fā)起者(Master)先置REQ#，當(dāng)?shù)玫街俨闷?Arbiter)的許可時(GNT#)，會將FRAME#置低，并在AD總線上放置Slave地址，同時C/BE#放置命令信號，說明接下來的傳輸類型。所有PCI總線上設(shè)備都需對此地址譯碼，被選中的設(shè)備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然后當(dāng)IRDY#與TRDY#都置低時，可以傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)Master數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，將FRAME#置高以標(biāo)明只剩最后一組數(shù)據(jù)要傳輸，并在傳完數(shù)據(jù)后放開IRDY#以釋放總線控制權(quán)。
這里我們可以看出，PCI總線的傳輸是很高效的，發(fā)出一組地址后，理想狀態(tài)下可以連續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)，峰值速率為132MB/s。實際上，目前流行的33M@32bit北橋芯片一般可以做到100MB/s的連續(xù)傳輸。
二、即插即用的實現(xiàn)
所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時，系統(tǒng)會自動對板卡所需資源進(jìn)行分配，如基地址、中斷號等，并自動尋找相應(yīng)的驅(qū)動程序。而不象舊的ISA板卡，需要進(jìn)行復(fù)雜的手動配置。
實際的實現(xiàn)遠(yuǎn)比說起來要復(fù)雜。在PCI板卡中，有一組寄存器，叫"配置空間"(Configuration Space)，用來存放基地址與內(nèi)存地址，以及中斷等信息。
以內(nèi)存地址為例。當(dāng)上電時，板卡從ROM里讀取固定的值放到寄存器中，對應(yīng)內(nèi)存的地方放置的是需要分配的內(nèi)存字節(jié)數(shù)等信息。操作系統(tǒng)要跟據(jù)這個信息分配內(nèi)存，并在分配成功后把相應(yīng)的寄存器中填入內(nèi)存的起始地址。這樣就不必手工設(shè)置開關(guān)來分配內(nèi)存或基地址了。對于中斷的分配也與此類似。

三、中斷共享的實現(xiàn)
ISA卡的一個重要局限在于中斷是獨占的，而我們知道計算機的中斷號只有16個，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時就會有問題了。
PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。
硬件上，采用電平觸發(fā)的辦法：中斷信號在系統(tǒng)一側(cè)用電阻接高，而要產(chǎn)生中斷的板卡上利用三極管的集電極將信號拉低。這樣不管有幾塊板產(chǎn)生中斷，中斷信號都是低；而只有當(dāng)所有板卡的中斷都得到處理后，中斷信號才會回復(fù)高電平。(請參考圖四所示電路)

軟件上，采用中斷鏈的方法：假設(shè)系統(tǒng)啟動時，發(fā)現(xiàn)板卡A用了中斷7，就會將中斷7對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向A卡對應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口ISR_A；然后系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)板卡B也用中斷7，這時就會將中斷7對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)指向ISR_B，同時將ISR_B的結(jié)束指向ISR_A。以此類推，就會形成一個中斷鏈。而當(dāng)有中斷發(fā)生時，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到中斷7對應(yīng)的內(nèi)存，也就是ISR_B。ISR_B就要檢查是不是B卡的中斷，如果是，要處理，并將板卡上的拉低電路放開；如果不是，則呼叫ISR_A。這樣就完成了中斷的共享。

通過以上討論，我們不難看出，PCI總線有著極大的的優(yōu)勢。而近年來的市場情況也證實了這一點。凌華公司推出了從高端到低端全系統(tǒng)PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，充分利用了PCI總線的這些優(yōu)點，必將給您的工作帶來很大的便利。

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