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PCI总线技术的特点和应用

分类:
技术交流
作者:
云创造物
2019/06/13 14:21

PCI(Peripheral Component Interconnect)是个人电脑中使用最为广泛的接口,几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。伴随着计算机和电子技术的迅速发展,PCI总线的种类越来越多样化,计算机的体系结构也随之发生了变化,比较突出的表现在:CPU的运行速度得到了显著提升,实现了高速缓冲存储器的广泛应用,多结构处理器研制成功等等,这些都需要相关的总线来完成数据的传输工作,导致了多总线结构的产生。PCI总线不仅具有较高的速度,而且具有良好的可靠性和兼容性,生产所耗费的成本较低,在多种总线的结构标准中,起着主导性的作用。

 

总线技术的发展
1981年,IBM公司设计出的世界上第一台PC机采用16位总线,1987年IBM公司ISA总线升级到MCA总线32位总线,传输率40MB/s,1988年Compaq,AST,HP,NEC等8家推出了EISA,兼容ISA总线,32位总线,传输率33MB/s。PCI总线在发展的过程中,不断自我革新,满足时代的需求。
由于数据采集和多媒体技术的迅速发展,对图形描绘能力及I/O处理能力也提出了越来越高的要求,而ISA总线已经不能满足其需求。1992年Intel公司联合Compaq、IBM、AST、HPNEC等100多家,推出PCI总线,即外设部件互连(Peripheral Component Interconnect)。

I/O互联技术及体系结构的发展与演变

 

PCI总线技术
PCI总线指的是外围部件的互连总线,PCI总线能够通过微处理器,实现对系统存储器的快速访问,对适配器间的相互访问,也起到了很好的机器左右。就结构而言,PCI总线是穿插在CPU和系统总线的一级总线,通过桥接电路完成了对它的管理工作,保证了上下接口的协调性,并对数据进行传输。PCI总线结构上分为北桥和南桥。

PCI总线结构

 

北桥(north bridge)也可称为Host/PCI桥,将CPU和基本的PCI总线连接起来,当然AGP接口和存储器管理部件也包括在内,能够实现PCI总线部件和CPU的同时运行。南桥(south bridge)即PCI/ISA桥,将PCI总线连接到ISA或者EISA总线之中,其中包含IDE控制器、中断控制器、DMA控制器及USB主控制器。能够将PCI总线变为标准总线,比如EISA、ISA等,这样可以将打印机、扫描仪等低速设备挂接到标准总线。

PCI总线规范理论上每条总线可以支持32台设备,然而根据实际经验,一条33MHz的PCI总线最多能够支持12个负载(设备)稳定工作。在33MHz频率时,PCI总线能够实现周期为30ns的静态定时协议。直接存储器存取(DMA方式)PCI设备成为总线主设备,并发起一个总线周期,传输过程不需要CPU参与,传送一块数据只需要一个突发总线周期。


PCI总线的中断信号有INTA#、INTB#、INTC#和INTD#。中断信号是共享的,多个设备可使用相同的中断号。操作系统通过轮询设备待处理的中断位,来确认发出中断的设备。

PCI总线支持三类地址空间:存储器、配置地址和I/O空间,32位系统支持存储器空间最高为4GB。

 

PCI-X总线
在1999年PCI-X总线正式问世,这是对PCI总线技术的传承,利用先进的科学技术,解决了PCI总线中存在的问题,使总线的运行频率得到了显著提升,实现了总线的均衡负载。
PCI-X总线有如下特点。
(1)PCI-X插槽与PCI插槽兼容。
(2)软件和硬件完全向后兼容。
(3)更短的时钟输出时间来驱动信号。
(4)寄存器型信号到达采样时间需要的建立时间更短。
(5)频率工作在66MHz时,PCI-X支持8~10个负载或4个连接器;工作在133MHz时,支持3~4个负载或2个连接器。
(6)64位133MHz的PCI-X能够达到峰值带宽1064MB/s。
(7)实现MSI协议。
(8)请求者/完成者分离事务模型。
(9)PCI-X总线传送效率提高到85%。

PCI总线技术发展到PCI-X总线,性能有了显著提高,性能对比见表1。但在广泛应用多年后,其弊端日益突出,并行总线不能实现多种设备的连接,扩展性能较差,加之线路之间的下扰作用,严重影响了系统的正常工作。一旦连接多个设备,就会减少总线的有效带宽,降低传输速率。要想实现成本的节约和干扰作用的减少,应当将总线带宽减少,或运用复式结构对地址和数据总线进行设计,宽带的使用量就会减少。PCI-X总线已将现有基于共享总线的I/O互联技术潜力挖掘殆尽。

PCI/PCI-X总线性能对比

 

PCI Express 总线技术应运而生
从2002年开始,PCISIG组织陆续发布了PCI Express总线系列规范。PCI Express,简称PCIe或称PCI-Express,是对现有的PCI编程概念和通讯标准的继承,在此基础上,完成了更快的序列通讯系统的建立。PCI和PCI-X都是在32位或64位并行总线的基础上形成的,PCI Express运用的总线是高速串行,只负责内部的互相连接。PCI Express是在现有的PCI系统基础上形成的,只需物理层进行改动,就可转换为PCI Express。PCI Express其速率极快,几乎可以取代所有的内部总线。

PCIe总线结构图

 

PCI Express 总线技术特点
PCI Express作为高速串行总线,能够实现点对点的传输,能够实现宽带的独享。
PCI Express总线的传输方式分为两种,即双向传输模式和数据分通道。其中,数据的分通道传输是对x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32等多通道的连接,x1单向传输带宽速度为250MB/s,双向传输带宽则为500MB/s。
PCI Express总线通过点到点互连技术,根据交换技术及包的协议,保证了总线的性能特征,实现了管理电源,保证了数据的完整度等功能。
PCI Express总线继承了PCI总线的良好性能,这样保证了软件的可靠性。PCI Express总线对于PCI总线的一些关键特征,比如应用模型、软件接口、存储结构方面等等,PCI Express总线都保持了下来。
PCI Express总线技术将点到点互连的先进性充分利用起来,实现了系统硬件平台设计难度的降低,使系统设计成本大大降低了,使整个系统的性价比得到了整体提升。
PCI Express 总线的显著特征
(1)功耗管理的主动性
在PCI Express总线中,即使总线没用传输信号,总线接口也是处于工作状态之中。闲暇时间内,总线虽然没有操作行为,但仍有很大功耗。而这时,通过PCI Express的功耗管理机制,就可以实现功耗的降低。
(2)热插拔的支持性能
PCI Express总线能够对系统的热插拔进行支持,这样就可以实现系统更新和调试停机时间的减少。
(3)数据流量的实时性
PCI Express总线能够在规定时间内,将数据包送达目的地,虽然等级不同,但服务质量都得到了保障。
(4)探测并纠正误码
数据链路层能够对循环的冗余码进行校验,而PCI Express总线能够对数据完整度进行进一步的,一旦出现误码,就会作出相关处理,使总线的可靠性得到了提升,有利于数据的恢复。

PCI总线技术发展历经了PCI、PCI-X和PCI Express,PCI Express总线已经逐步替代了PCI和PCI-X总线,PCI Express总线采用串行点对点连接,其频率仍有很大的提升空间,PCI Express总线的时代已经全面来临。

 

参考文献:
[1]樊江锋,陈帅,叶波,雷婉星,等.PCI总线技术的发展[J].网络与信息工程,2017.
[2]PCI&PCI-E总线的前世今生.https://mp.weixin.qq.com/s/-1WR8t_om6d4hWOSJluDxg(2016)

 

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