PCI總線的組成結(jié)構(gòu)

1.1.2PCI總線

在處理器系統(tǒng)中，含有PCI總線和PCI總線樹這兩個概念。這兩個概念并不相同，在一顆PCI總線樹中可能具有多條PCI總線，而具有血緣關(guān)系的PCI總線組成一顆PCI總線樹。如在圖1?1所示的處理器系統(tǒng)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(shè)備，如聲卡、網(wǎng)卡和IDE接口卡等。在一個處理器系統(tǒng)中，可以通過PCI橋擴(kuò)展PCI總線，并形成具有血緣關(guān)系的多級PCI總線，從而形成PCI總線樹型結(jié)構(gòu)。在處理器系統(tǒng)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?qū)?yīng)。

與HOST主橋直接連接的PCI總線通常被命名為PCI總線0?？紤]到在一個處理器系統(tǒng)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(kuò)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(shè)備，其使用的PCI總線地址空間分屬于不同的PCI總線域空間。

1.1.3PCI設(shè)備

在PCI總線中有三類設(shè)備，PCI主設(shè)備、PCI從設(shè)備和橋設(shè)備。其中PCI從設(shè)備只能被動地接收來自HOST主橋，或者其他PCI設(shè)備的讀寫請求；而PCI主設(shè)備可以通過總線仲裁獲得PCI總線的使用權(quán)，主動地向其他PCI設(shè)備或者主存儲器發(fā)起存儲器讀寫請求。而橋設(shè)備的主要作用是管理下游的PCI總線，并轉(zhuǎn)發(fā)上下游總線之間的總線事務(wù)。

一個PCI設(shè)備可以即是主設(shè)備也是從設(shè)備，但是在同一個時刻，這個PCI設(shè)備或者為主設(shè)備或者為從設(shè)備。PCI總線規(guī)范將PCI主從設(shè)備統(tǒng)稱為PCI Agent設(shè)備。在處理器系統(tǒng)中常見的PCI網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等設(shè)備都屬于PCI Agent設(shè)備。

在PCI總線中，HOST主橋是一個特殊的PCI設(shè)備，該設(shè)備可以獲取PCI總線的控制權(quán)訪問PCI設(shè)備，也可以被PCI設(shè)備訪問。但是HOST主橋并不是PCI設(shè)備。PCI規(guī)范也沒有規(guī)定如何設(shè)計HOST主橋。

在PCI總線中，還有一類特殊的設(shè)備，即橋設(shè)備。橋設(shè)備包括PCI橋、PCI-to-(E)ISA橋和PCI-to-Cardbus橋。本篇重點(diǎn)介紹PCI橋，而不關(guān)心其他橋設(shè)備的實(shí)現(xiàn)原理。PCI橋的存在使PCI總線極具擴(kuò)展性，處理器系統(tǒng)可以使用PCI橋進(jìn)一步擴(kuò)展PCI總線。

PCI橋的出現(xiàn)使得采用PCI總線進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)互連成為可能。但是在目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模處理器系統(tǒng)中，并沒有使用PCI總線進(jìn)行處理器系統(tǒng)與處理器系統(tǒng)之間的大規(guī)?；ミB。因?yàn)镻CI總線是一個以HOST主橋?yàn)楦臉湫徒Y(jié)構(gòu)，使用主從架構(gòu)，因而不易實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)間的對等互連。

即便如此PCI橋仍然是PCI總線規(guī)范的精華所在，掌握PCI橋是深入理解PCI體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。PCI橋可以連接兩條PCI總線，上游PCI總線和下游PCI總線，這兩個PCI總線屬于同一個PCI總線域，使用PCI橋擴(kuò)展的所有PCI總線都同屬于一個PCI總線域。

其中對PCI設(shè)備配置空間的訪問可以從上游總線轉(zhuǎn)發(fā)到下游總線，而數(shù)據(jù)傳送可以雙方向進(jìn)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(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)橋片，但是適用于某些特殊應(yīng)用，本篇將在第2.5節(jié)中詳細(xì)介紹這種橋片。在本書中，如不特別強(qiáng)調(diào)，PCI橋是指透明橋，透明橋也是PCI總線規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)橋片。

PCI-to-(E)ISA橋和PCI-to-Cardbus橋的主要作用是通過PCI總線擴(kuò)展(E)ISA和Cardbus總線。在PCI總線推出之后，(E)ISA總線并沒有在處理器系統(tǒng)中立即消失，此時需要使用PCI-(E)ISA橋擴(kuò)展(E)ISA總線，而使用PCI-to-Cardbus橋用來擴(kuò)展Cardbus總線，本篇并不關(guān)心(E)ISA和Cardbus總線的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

1.1.4HOST處理器

PCI總線規(guī)定在同一時刻內(nèi)，在一顆PCI總線樹上有且只有一個HOST處理器。這個HOST處理器可以通過HOST主橋，發(fā)起PCI總線的配置請求總線事務(wù)，并對PCI總線上的設(shè)備和橋片進(jìn)行配置。

在PCI總線中，HOST處理器是一個較為模糊的概念。在SMP(symmetric multiprocessing)處理器系統(tǒng)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(shí)際管理者，而不是HOST處理器。

在HOST主橋中，設(shè)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(shè)備。如在x86處理器的HOST主橋中設(shè)置了0xCF8和0xCFC這兩個I/O端口訪問PCI設(shè)備的配置空間，而PowerPC處理器的HOST主橋設(shè)置了CFG_ADDR和CFG_DATA寄存器訪問PCI設(shè)備的配置空間。值得注意的是，在PowerPC處理器中并沒有I/O端口，因此使用存儲器映像尋址方式訪問外部設(shè)備的寄存器空間。

1.1.5PCI總線的負(fù)載

PCI總線的所能掛接的負(fù)載與總線頻率相關(guān)，其中總線頻率越高，所能掛接的負(fù)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(fù)載能力之間的關(guān)系，如表1?1所示。

表1?1PCI總線頻率、帶寬與負(fù)載之間的關(guān)系

由表1?1所示，PCI總線頻率越高，所能掛接的負(fù)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(xié)議略有不同，因此66MHz的PCI-X總線的負(fù)載數(shù)較大，PCI-X總線的詳細(xì)說明見第1.5節(jié)。當(dāng)PCI-X總線頻率為266MHz和533MHz時，該總線只能掛接一個PCI-X插槽。在PCI總線中，一個插槽相當(dāng)于兩個負(fù)載，接插件和插卡各算為一個負(fù)載，在表1?1中，33MHz的PCI總線可以掛接4~5個插槽，相當(dāng)于直接掛接8~10個負(fù)載。