PCI

定义局部总线的标准

PCI(Peripheral Component Interconnect)是一种由英特尔（Intel）公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。此标准允许在计算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡。

基本介绍

从1992年创立规范起，PCI总线已成为了计算机的一种标准总线。 PCI总线取代了早先的ISA总线。当然与在PCI总线后面出现专门用于显卡的AGP总线，与PCI Express总线相比，速度要慢，但是PCI他有许多优点，比如即插即用(Plug and Play)、中断共享等。

从数据宽度上看，PCI总线有32bit、64bit之分；从总线速度上分，有33MHz、66MHz两种。流行的是32bit @ 33MHz，而64bit系统正在普及中。改良的PCI系统，PCI-X，最高可以达到64bit @ 133MHz，这样就可以得到超过1GB/s的数据传输速率。如果没有特殊说明，以下的讨论以32bit @ 33MHz为例。

一、基本概念

不同于ISA总线，PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处是，一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时，由一个PCI设备做发起者(主控，Initiator或Master)，而另一个PCI设备做目标(从设备，Target或Slave)。总线上的所有时序的产生与控制，都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构(Arbiter)，来决定在谁有权力拿到总线的主控权。

32bit PCI系统的管脚按功能来分有以下几类：

系统控制： CLK，PCI时钟，上升沿有效

RST ，Reset信号

传输控制： FRAME#，标志传输开始与结束

IRDY#，Master可以传输数据的标志

DEVSEL#，当Slave发现自己被寻址时置低应答

TRDY#，Slave可以转输数据的标志

STOP#，Slave主动结束传输数据的信号

IDSEL，在即插即用系统启动时用于选中板卡的信号

地址与数据总线： AD[31::0]，地址/数据分时复用总线

C/BE#[3::0]，命今/字节使能信号

PAR，奇偶校验信号

仲裁号： REQ#，Master用来请求总线使用权的信号

GNT#，Arbiter允许Master得到总线使用权的信号

错误报告： PERR#，数据奇偶校验错

SERR#，系统奇偶校验错

当PCI总线进行操作时，发起者(Master)先置REQ#，当得到仲裁器(Arbiter)的许可时(GNT#)，会将FRAME#置低，并在AD总线上放置Slave地址，同时C/BE#放置命令信号，说明接下来的传输类型。所有PCI总线上设备都需对此地址译码，被选中的设备要置DEVSEL#以声明自己被选中。然后当IRDY#与TRDY#都置低时，可以传输数据。当Master数据传输结束前，将FRAME#置高以标明只剩最后一组数据要传输，并在传完数据后放开IRDY#以释放总线控制权。

这里我们可以看出，PCI总线的传输是很高效的，发出一组地址后，理想状态下可以连续发数据，峰值速率为132MB/s。实际上，流行的33M@32bit北桥芯片一般可以做到100MB/s的连续传输。

二、即插即用的实现

所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不象旧的ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。

实际的实现远比说起来要复杂。在PCI板卡中，有一组寄存器内存地址，以及中断等信息。

以内存地址为例。当上电时，板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要根据这个信息分配内存，并在分配成功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。

三、中断共享的实现

ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的，而我们知道计算机的中断号只有16个，系统又用掉了一些，这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。

PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。

硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会回复高电平。

软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡A用了中断7，就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR_A；然后系统发现板卡B也用中断7，这时就会将中断7对应的内存区指向ISR_B，同时将ISR_B的结束指向ISR_A。以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7对应的内存，也就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B卡的中断，如果是，要处理，并将板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼叫ISR_A。这样就完成了中断的共享。

系统特点

PCI总线系统要求有一个PCI控制卡，它必须安装在一个PCI插槽内。这种插槽是主板带有最多数量的插槽类型，在当前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽。根据实现方式不同，PCI控制器可以与CPU一次交换32位或64位数据，它允许智能PCI辅助适配器利用一种总线主控技术与CPU并行地执行任务。PCI允许多路复用技术，即允许一个以上的电子信号同时存在于总线之上。

DAQ卡

PCI-1710/1710HG PCI 总线 16 通道 100 KHz，12 位多功能卡（高增益） 4510.-

PCI-1720 4 通道隔离 D/A 输出卡 4510.-

PCI-1750 PCI 总线 32 通道数字量输入/输出卡，具有 2500 V DC 隔离保护 1645-

PCI-1751 PCI 总线 48 位数字量输入/输出卡 1280-

PCI-1760 继电器输出和隔离数字量输入卡 2240-

PCI-1713 100 kS/s、12 位卡、32 通道隔离模拟量输入 5420.-

PCI-1714 4通道同步30MS/s模拟量输入卡

PCI-1711 100KS/s，12位16路单端输入低成本多功能数据采集卡

PCI-1711L 100KS/s，12位16路单端输入低成本多功能数据采集卡

PCI-1712 1MS/s，12位高速多功能数据采集卡

PCI-1712L 1MS/s，12位高速多功能数据采集卡

PCI-1716 250 KS/s, 16位, 16路高分辨率多功能数据采集卡

PCI-1716L 16位高精度多功能带模拟量输出数据采集卡

PCI-1747U 250K 16-bit 64-ch AI card

PCI-1721 12位，4路增强模拟量输出卡

PCI-1723 16位，8路非隔离模拟量输出卡

PCI-1724U 14-bit, 32-ch Isolated Analog Output Card

PCI-1730 32路隔离数字量输入/输出卡

PCI-1733 32路隔离数字量输入卡

PCI-1734 32路隔离数字量输出卡

PCI-1752 64路隔离数字量输出卡

PCI-1753 96/192位数字量I/0卡

PCI-1753E PCI-1753扩展板

PCI-1754 64路隔离数字量输入卡

PCI-1755 高速32通道数字量输入输出板卡

PCI-1756 64路隔离数字量I/O卡

PCI-1761 8路继电器输出和8路隔离数字量输入卡

PCI-1762 16路隔离数字量输入和16路继电器输出卡

PCI-1780 8通道计数器/定时器卡

主要版本

PCI2.2允许66MHz的信号传输（需要在3.3伏特的信号，传输速率峰值为533MB每秒）。

PCI2.3允许使用3.3伏特和通用标识符，但在5伏特的情况不能下使用。

PCI3.0是PCI总线的最后一个官方版本，彻底取消了对使用5伏特的设备的支持。

PCI-X稍稍改变了协定并增加了资料传输速率到133MHz（传输速率峰值为1066MB/s）。

PCI-X2.0指定了266MHz（传输速率峰值为2133MB/s）和533MHz速率，扩充可规划空间至4096bytes，增加了16-bit的可变总线并且允许1.5伏特的电压讯号。

微型PCI是PCI2.2版中的新要素，主要用于笔记本电脑的内部。

Cardbus是32位33MHz的PCI，是PCMCIA的要素。

紧凑型PCI,usesEurocard-sizedmodulespluggedintoaPCIbackplane.

PC/104-Plus是一种利用PCI总线连接多个连接器的工业总线。

高级电讯计算体系（ATCA）是电讯工业下一代总线。

PCI总线

PCI总线是一种高性能局部总线，是为了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中，采用PCI总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。

最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到133MB/s(33MHz*32bit/s)，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，1993年又提出了64bit的PCI总线，后来又提出把PCI总线的频率提升到66MHz。广泛采用的是32-bit、33MHz的PCI总线，64bit的PCI插槽更多是应用于服务器产品。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供信号缓冲，能在高时钟频率下保持高性能，社和为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供连接接口，工作频率为33MHz/66MHz。

PCI总线系统要求有一个PCI控制卡，它必须安装在一个PCI插槽内。根据实现方式不同，PCI控制器可以与CPU一次交换32位或64位数据，它允许智能PCI辅助适配器利用一种总线主控技术与CPU并行地执行任务。PCI允许多路复用技术，即允许一个以上的电子信号同时存在于总线之上。

PCI总线的主要性能

（2）总线时钟频率33.3MHz/66MHz

（3）最大数据传输速率133MB/s

（4）时钟同步方式

（5）与CPU及时钟频率无关

（6）总线宽度32位（5V）/64位（3.3V）

（7）能自动识别外设

PCI总线的主要特点

·具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力

·具有隐含的中央仲裁系统

·采用多路复用方式（地址线和数据线）减少了引脚数

·完全的多总线主控能力

·提供地址和数据的奇偶校验

·可以转换5V和3.3V的信号环境

PCI插槽

PCI插槽是基于PCI局部总线的扩展插槽，其颜色一般为乳白色，位于主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。其位宽为32位或64位，工作频率为33MHz,最大数据传输率为133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位)。可插接显卡、声卡、网卡、内置Modem、内置ADSLModem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、电视卡、视频采集卡以及其它种类繁多的扩展卡。PCI插槽是主板的主要扩展插槽，通过插接不同的扩展卡可以获得电脑能实现的几乎所有功能，是名副其实的“万用”扩展插槽。

PCI插槽是主板带有最多数量的插槽类型，在当前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽。

根据实现方式不同，PCI控制器可以与CPU一次交换32位或64位数据，它允许智能PCI辅助适配器利用一种总线主控技术与CPU并行地执行任务。PCI允许多路复用技术，即允许一个以上的电子信号同时存在于总线之上。

由于PCI 总线只有133MB/s的带宽，对声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备显得绰绰有余，但对性能日益强大的显卡则无法满足其需求。Intel在2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI总线的第三代I/O技术，该规范由Intel支持的AWG(Arapahoe Working Group)负责制定。2002年4月17日，AWG正式宣布3GIO1.0规范草稿制定完毕，并移交PCI-SIG（PCI特别兴趣小组，PCI-Special Interest Group）进行审核。开始的时候大家都以为它会被命名为Serial PCI(受到串行ATA的影响)，但最后却被正式命名为PCI Express，Express意思是高速、特别快的意思。

PCI-E标准

PCI-E或称PCI-Express是最新的总线和接口标准，它原来的名称为“3GIO”，是由英特尔提出的，很明显英特尔的意思是它代表着下一代I/O接口标准。交由PCI-SIG（PCI特殊兴趣组织）认证发布后才改名为“PCI-Express”。这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一。它的主要优势就是数据传输速率高，最高可达到10GB/s以上，而且还有相当大的发展潜力。PCI-Express也有多种规格，从PCI-Express 1X到PCI-Express 16X，能满足现在和将来一定时间内出现的低速设备和高速设备的需求。能支持PCI-Express的主要是英特尔的i915和i925系列芯片组。

PCI-E采用了流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI-E的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。

PCI-E的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16，而X2模式将用于内部接口而非插槽模式。PCI-E规格从1条通道连接到32条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。此外，较短的PCI-E卡可以插入较长的PCI-E插槽中使用，PCI-E接口还能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCI-E X1的250MB/秒传输速度已经可以满足主流声效芯片、网卡芯片和存储设备对数据传输带宽的需求，但是远远无法满足图形芯片对数据传输带宽的需求。因此，用于取代AGP接口的PCI-E接口位宽为X16，能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提供约为4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。

尽管PCI-E技术规格允许实现X1（250MB/秒），X2，X4，X8，X12，X16和X32通道规格，但是，PCI-E X1和PCI-E X16已成为PCI-E主流规格，同时很多芯片组厂商在南桥芯片当中添加对PCI-E X1的支持，在北桥芯片当中添加对PCI-E X16的支持。除去提供极高数据传输带宽之外，PCI-E因为采用串行数据包方式传递数据，所以PCI-E接口每个针脚可以获得比传统I/O标准更多的带宽，这样就可以降低PCI-E设备生产成本和体积。另外，PCI-E也支持高阶电源管理，支持热插拔，支持数据同步传输，为优先传输数据进行带宽优化。

优点：

与PCI总线相比，PCI-Express总线主要以下优点：

1、PCI-Express是串行总线，进行点对点传输，每个传输通道独享带宽。

2、PCI-Express总线支持双向传输模式和数据分通道传输模式。其中数据分通道传输模式即PCI-Express总线的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32多通道连接，x1单向传输带宽即可达到250MB/s，双向传输带宽更能够达到500MB/s，这个已经不是普通PCI总线所能够相比的了。

3、PCI-Express总线充分利用先进的点到点互连、基于交换的技术、基于包的协议来实现新的总线性能和特征。电源管理、服务质量（QoS）、热插拔支持、数据完整性、错误处理机制等也是PCI-Express总线所支持的高级特征。

4、与PCI总线良好的继承性，可以保持软件的继承和可靠性。PCI-Express总线关键的PCI特征，比如应用模型、存储结构、软件接口等与传统PCI总线保持一致，但是并行的PCI总线被一种具有高度扩展性的、完全串行的总线所替代。

5、PCI-Express总线充分利用先进的点到点互连，降低了系统硬件平台设计的复杂性和难度，从而大大降低了系统的开发制造设计成本，极大地提高系统的性价比和健壮性。系统总线带宽提高同时，减少了硬件PIN的数量，硬件的成本直接下降。

缺点：

1、并行总线无法连接太多设备，总线扩展性比较差，线间干扰将导致系统无法正常工作；

2、当连接多个设备时，总线有效带宽将大幅降低；

3、为了降低成本和尽可能减少相互间的干扰，需要减少总线带宽，或者地址总线和数据总线采用复用方式设计，这样降低了带宽利用率。 PCI-Express总线是为将来的计算机和通讯平台定义的一种高性能，通用I/O互连总线。

发展历史

PCI标准的开发于1990年前后开始于英特尔公司。1992年6月22日，英特尔发表PCI1.0标准，该标准仅限于组件级规范。1993年4月30日，PCI-SIG发表了PCI2.0标准，这个标准第一次建立了连接器与主板插槽间的标准。

PCI标准被立即应用于服务器中，取代了先前的MCA及EISA，成为服务器扩展总线的不二选择。在主流个人计算机中，PCI标准则缓慢地取代着VESA局部总线（VLB）；直至1994年后期第二代奔腾PC推出后，该标准方得以实现具有重要意义的市场突破。1996年，VLB彻底退出了个人计算机市场，制造厂商甚至将PCI标准应用于486计算机中。EISA标准则与PCI标准共存使用至2000年。苹果电脑在1995年中期将PCI标准应用于专业产品PowerMacintosh电脑中（而取代了NuBus），而消费者产品MacintoshPerforma则于1996年中期完成了换代（取代了LCPDS）。

后续版本的PCI标准不断加入了新的功能与性能提升，包括66MHz/3.3V标准，133MHzPCI-X以及适应多种主板板型等。2004年，串行总线标准PCI-Express面世后，主板制造商逐渐减少了传统PCI插槽，而引入PCIExpress接口。虽然这两种接口还会同时并存，但是传统的PCI总线将会慢慢的消失。

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