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1、第7章 PCI总线,本章学习目标本章介绍了PCI总线技术、协议。通过对本章的学习，读者应该掌握以下主要内容： PCI总线原理 PCI总线的仲裁分析 PCI总线信号和传输协议,7.1 PCI总线的原理时序和仲裁分析,随着GUI(Graphical User Interface)、多媒体等技术在 PC机上的应用，传统的 PC总线 (如 ISA、EISA、MCA)由于其带宽的限制，已不能满足系统工作的要求。为此，在 90年代初，由视频电子标准协会 (VESA)和 INTEL分别提出了 VL -BUS和 PCI(Peripheral Component Interconnect)这 2种先进的局部总线
2、规范。,7.1.1 PCI总线结构和性能,1. 总线结构,PCI（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group）作为一种同步的独立于处理器的32位或64位局部总线，最高工作频率为33 MHz。它不受制于处理器，为中央处理器及高速外围设备提供了一座桥梁，更可作为总线之间的交通管理员。,图 7.1 PCI系统结构框图,2. 主要特点,突出的性能良好的兼容性即插即用低成本多主能力高速缓存 (Cache)支持,7.1.2总线操作周期,本文按存取周期 (access cycle)、特殊周期 (special cycle)、中断确认周期
3、(interrupt acknowledge cycle)3种类型讨论。首先对有关引脚作简单介绍。 1. 有关的总线信号,2. 存取周期,(1) 单一数据存取周期,(2) 突发传送,(3) 传输周期中止,1个传输周期可以被主设备或目标设备终止。 一般有以下 4种类型：, 主设备故障终止 (Master Abort Termination) 重试终止 (Retry) 断开终止 (Disconnect) 目标设备故障终止 (Target Abort),图 7.2 PCI总线周期,表7-1 总线信号,表7-2 C/ BE#命令类型,3. 特殊周期,特殊周期可以认为是 1个特殊的写操作，其特殊在于目标
4、设备不止 1个，这使得 PCI主设备具有广播机制。,主要特点：,特殊周期是对所有 PCI设备进行广播，所以不需要某一个目标设备对其响应，置 DEVSEL#有效。 因为没有设备对其响应，所以 TRDY#总是无效，周期长度由主设备通过 IRDY#信号决定。 特殊周期只能是写操作。 特殊周期只能发生于主设备所在总线上，不可以通过桥路把特殊周期从 1条总线传至另 1条总线。,通过对桥路进行 1种特殊配置存取操作， 1个PCI主设备可以让桥路在其他 PCI总线上进行 1个特殊周期操作。 特殊周期可以依单一写或突发写方式进行。 特殊周期应保证从数据有效到下1个操作周期之间至少5个CLK时钟长度，在特殊周期
5、和随后的周期之间还应有1个CLK时钟的空闲期 (IDLE PHASE)。 PCI主设备可通过主设备故障终止结束特殊周期，而目标设备不可以终止特殊周期。 PCI只定义了32位周期操作。,4. 中断确认周期,中断确认周期可以认为是 1个特殊的读操作，主设备为 HOST/ PCI桥路，目标设备为含有中断控制器的PCI总线设备。,主要特点：,中断确认周期执行无需译码，所以包含中断控制器的PCI总线设备对操作的响应通过置 DEVSEL#有效完成。响应中断确认周期的 PCI设备通过 TRDY#信号延长周期，与其他传送一样， TRDY#与主设备(HOST/ PCI桥路 )的 IRDY#共同决定周期长度。中断
6、确认周期只能是读操作。可以按单个读或突发读方式操作。,主设备可以由主设备故障终止、目标设备可以由重试终止、断开终止、目标设备故障终止来结束周期。 PCI总线规则只定义了32位的中断确认周期。,7.1.3 PCI总线仲裁,协议基本要求：,对总线所有权提出申请的设备必须具备立刻开始总线周期的能力。被授予总线所有权的主设备应在 8个CLK(推荐为 2 3个 )周期内，驱动 AD31:00和 C/BE# 3:00 信号线至 1个稳定电平 ;在9个CLK(推荐为 34个)周期内驱动 PAR信号至 1个稳定电平。 (3)当1个主设备拥有总线所有权时(REQ#和GNT#都有效),如果中央仲裁器想把总线所有权
7、转给另外一个主设备，它将置当前设备的 GNT#无效，,此时有2种情况： A 当前主设备正在进行操作 (FRAME#有效 ),那么当前主设备完成操作后，交回总线所有权。B 当前主设备处于空闲期 (FRAME#和 IDRY#均无效 ),它将立刻交回所有权。,4)PCI主设备可在任何需要时刻对总线提出申请， REQ#有效后，也可在任何时刻撤回申请。 (5)如果总线不是在空闲状态，1个主设备的 GNT# 无效和下1个主设备的 GNT#有效之间至少应 有 1个CLK周期，否则会在AD和PAR信号线 上出现时序冲突。,7.2 PCI总线技术,7.2.1 PCI总线与处理器的关系,PCI总线与处理器是否相对
8、独立，这很大程度地影响了处理器是否能升级，从而影响到整个系统升级的问题。,7.2.2 PCI总线仲裁控制方式,PCI总线仲裁采取了依赖于任务访问的突发式，每一次任务访问都必须通过握手信号连接才能成功，而承认每一次任务访问对总线的占用，主要用中央控制器的仲裁器部分完成.,7.2.3 PCI总线的时延,一个设备对时延的效果我们需要从以下几个方面考虑：设备的内部运行机能 设备的外部运行机能 设备的花费和花销。,PCI总线时延包括以下几个部分, 仲裁时延, 总线承认时延, 目标模块时延,7.2.4 排它性访问,排它性访问可以有完全 PCI总线排它性访问，PCI总线资源排它性访问。1 )完全 PCI总线
9、排它性访问是对 PCI总线整个上锁，控制权交给某一设备或某一次任务访问，它可以说对一个系统运行具有深远影响，特别是视频子系统方面，所有非排它性访问在上锁过程中都无法进行。,2 ) PCI总线资源排它性访问，只是宿主部件通过总线将所要访问的目标模块资源锁定，只供给该部件或该任务使用，其它任务访问无法再使用该目标资源，但和完全总线排它性访问不同点在于其它部件可以获得总线使用权访问其它总线资源，这种上锁方法，覆盖面小，影响其它设备程度小，而且设计的软硬件较为简单。,PCI总线则两者兼而有之，因此一些实时处理中，对时延敏感的设备就可以通过上锁方式，以避免时延较长的访问占用 PCI总线或资源。,7.2.
10、5 PCI总线的容错性,总线最基本的功能就是数据传递，因此传递过程中错误的检测和纠正，是总线应具有的特性。,7.2.6支持快速存取的 PCI总线性能,一般来说内部总线速度较高，外部总线速度较慢，尤其是超距离的网络传输部分总线速度更慢，因此和计算机系统的中央处理部分速度不匹配，形成瓶颈效应，特别是在进行存储访问时尤为突出，因此在 PCI总线访问中专门规定一种快速存取的访问对于大批量业务 (图形图像处理 )显得十分必要。 PCI总线就是通过 SDONE#和 SBO#两种信号来实现快存取访问。,7.2.7小结,PCI总线提供了更具吸引力的面向未来的技术通道，PCI总线和其它的局部总线(VESA总线
11、)比较： 它可以处理系统中更多的负载，因而更可靠 ; 它支持即插即用：它具有较少的管脚。,7.3 PCI总线的传输协议概述,7.3.1总线信号及命令描述,介绍 PCI总线之前，先定义几个名词概念。主设备 (Initiator or Bus Master)：启动传输的设备称之为主设备。从设备 (Target or Slave)：被主设备寻址完成当前传输的设备称之为从设备。PCI-Compliant Agents:指所有 PCI主设备和从设备。,1. 总线信号分类,PCI总线信号可划分为十大类型，如表7-3所示。,传输控制信号,2. 总线命令描述,表7-4列举了所有 PCI总线命令。,表7-4 P
12、CI命令集,7.3.2 总线传输协议,PCI总线传输协议是同步传输协议，所有 PCI操作均同步于 PCI时钟。PCI总线的基本传输规则是突发传输方式。,1. PCI总线传输周期,PCI总线传输周期由一个地址阶段加上一个或多个数据阶段构成。基本的 PCI传输是由 FRAME#、 IRDY#和 TRDY#三个信号控制。,2. PCI总线传输,PCI总线传输包含读、写和中止三个内容。,(1) 读传输 图7.4显示了读操作的传输过程。,(2) 写传输,图 7.5显示了写操作的传输过程。,(3) 传输中止,在某些情形下，主设备或从设备需要中止当前的总线传输。 主设备启动的中止：主设备要求 PCI总线中止
13、当前的传输，有下列三种情况：,正常完成超时异常中止,图 7.5 写传输过程,从设备启动的中止：从设备利用 STOP#信号指示主设备中止当前的数据传输。 从设备中止传输有三种情况：, Disconnect脱连 Retry重试 异常中止,7.3.3小结,PCI总线规范正式颁布不久，由于其显著特点，已得到众多计算机厂商的支持，开发面向 PCI总线的芯片和各种板卡，已成为商业界竞争的热点之一。,本章小结,本章重点介绍PCI总线技术、协议。主要内容有：PCI总线的信号的定义及其功能；PCI总线所具有的各种操作功能和使用方法，PCI总线所以信号的时序关系和使用要求。PCI作为一种同步的独立于处理器的32位
14、或64位局部总线，它不受制于处理器，为中央处理器及高速外围设备提供了一座桥梁。PCI总线具有较大的传输率，良好的兼容性，支持即插即用，同时支持任何 PCI主设备和从设备之间点对点的访问。,PCI总线总线周期包括3种类型：存取周期：PCI总线主设备和目标设备间点对点的数据传输；特殊周期可以认为是 1个特殊的写操作，可使PCI主设备具有广播机制；中断确认周期可以认为是 1个特殊的读操作，主设备为 HOST/ PCI桥路，目标设备为含有中断控制器的PCI总线设备。PCI总线仲裁采取了依赖于任务访问的突发式，每一次任务访问都必须通过握手信号连接才能成功，而承认每一次任务访问对总线的占用，主要用中央控制器的仲裁器部分完成。,PCI总线的传输规范包含PCI总线的信号和命令及PCI总线的传输两方面的内容。PCI总线传输协议是同步传输协议，所有 PCI操作均同步于 PCI时钟。PCI总线传输周期由一个地址阶段加上一个或多个数据阶段构成。PCI总线传输包含读、写和中止三个内容。,思考与练习,1试说明PCI局部总线结构。 2. PCI总线多路复用地址线和数据线是怎样使用 的？ 3在成组传送操作下，PCI总线能传送数据字节 的个数？ 4试说明PCI总线操作过程。,谢谢使用本软件！,学无止境,
