计算机总线及设备介绍

计算机总线及设备介绍第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五课程内容1.PCI术语解释2.PCI总线发展史3.PCI技术规格简介4.PCI设备介绍第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五1.PCI术语解释第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五总线发展历史回顾什么是总线?所谓总线，笼统来讲，就是一组进行互连和传输信息（指令、数据和地址）的信号线。计算机的总线都是有特定的含义。如“局部总线”、“系统总线”等。在以Windows为代表的图形用户接口(GUI)进入PC机之后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。

局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥。从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。

采用PCI总线后，数据宽度升级到64位，总线工频率为33.3MHZ，数据传输率（带宽）达266MB/S。所以采用PCI总线解决了数据的I/O瓶颈，使计算机更好地发挥性能。

这是微机系统内部各部件（插板）之间进行连接和传输信息的一组信号线。例如ISA总线。由于它只具有16位数据宽度，最高工作频率为8MHz，所以数据传输速率只能达到16MB/S。通信总线是系统之间或微机系统与设备之间进行通信的一组信号线。总线分类局部总线系统总线通信总线第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI总线

PCI总线中文称局部总线(总线是计算机用于把信息从一个设备传送到另一个设备的高速通道)，英文全称是PeripheralComponentInterconnection。一种由Inter公司推出的用于定义局部总线的规范。此规范允许在计算机内安装多达10个遵从PCI规范的扩展卡。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，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。第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI插槽PCI插槽是基于PCI局部总线（PeripheralComponentInterconnect，周边元件扩展接口）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目前电脑能实现的几乎所有外接功能。右图中左侧最长的插槽为ISA插槽（黑色），中间白色的为PCI插槽，右边棕色的插槽为AGP插槽。第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五2.PCI总线发展史第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五回顾总线的发展历程

-ISA总线

-PCI总线

-PCI总线危机

-PCIExpress应运而生

第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五回顾总线的发展历程第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五回顾总线的发展历程

(ISA总线)第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五ISA总线的出现最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT电脑采用的系统总线，它基于8bit的8088处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。在1984年的时候，IBM推出基于16-bitIntel80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线。而为了开发与IBMPC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBMPC总线规范为基础的ISA（工业标准架构：IndustryStandardArchitecture）总线。第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五ISA总线的发展

ISA是8/16bit的系统总线，最大传输速率仅为8MB/s，但允许多个CPU共享系统资源。由于兼容性好，它在上个世纪80年代是最广泛采用的系统总线，不过它的弱点也是显而易见的，比如传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等。后来在PC‘98规范中，就开始放弃了ISA总线，而Intel从i810芯片组开始，也不再提供对ISA接口的支持。第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五ISA总线的衰落使用286和386SX以下CPU的电脑似乎和8/16bitISA总线还能够相处融洽，但当出现了32-bit外部总线的386DX处理器之后，总线的宽度就已经成为了严重的瓶颈，并影响到处理器性能的发挥。因此在1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32-bit，这就是著名的EISA（ExtendedISA，扩展ISA）总线。EISA总线的工作频率仍旧仅有8MHz，并且与8/16bit的ISA总线完全兼容，由于是32-bit总线的缘故，带宽提高了一倍，达到了32MB/s.可惜的是，EISA仍旧由于速度有限，并且成本过高，在还没成为标准总线之前，在20世纪90年代初的时候，就给PCI总线给取代了。第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五回顾总线的发展历程

(PCI总线)第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI总线的出现

CPU的飞速发展，ISA/EISA逐渐显现出疲态，跟不上时代的步伐。当时CPU的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接受数据，使得整机的性能受到严重的影响。为了解决这个问题，1992年Intel在发布486处理器的时候，也同时提出了32-bit的PCI（周边组件互连）总线。第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI总线的发展最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到了133MB/s（33MHzX32bit/8），比ISA总线有了极大的改善，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年提出此了64-bit的PCI总线，后来又提出把PCI总线的频率提升到66MHz.目前广泛采用的是32-bit、33MHz的PCI总线。第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI总线的衰落

PCI总线是独立于CPU的系统总线，采用了独特的中间缓冲器设计，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在CPU总线上，打破了瓶颈，使得CPU的性能得到充分的发挥。可惜的是，由于PCI总线只有133MB/s的带宽，对付声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备也许显得绰绰有余，但对于胃口越来越大的3D显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI总线的补充——AGP总线就应运而生了。

Intel于1996年7月正式推出了AGP（加速图形接口，AcceleratedGraphicsPort）接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于PCI2.1版规范并进行扩充修改而成，工作频率为66MHz，1X模式下带宽为266MB/S，是PCI总线的两倍。后来依次又推出了AGP2X、AGP4X，现在则是AGP8X，传输速度达到了2.1GB/S.第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五回顾总线的发展历程

(PCI总线危机)第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五危机产生

利用PCI总线技术的显示卡，第一次真正地实现了多媒体效果，并且可以支持增强色和真彩色等色彩模式，这与当时只能支持256色的VESAVLB显示卡相比，简直是不可思义。

如果计算机只需要进行上网浏览和软件下载等简单的应用，PCI技术也就足够了。然而时光飞逝，转眼就到了2004年，新的技术和设备层出不穷，特别是游戏和多媒体应用越来越广泛，PCI的工作频率和带宽都已经无法满足需求。此外，PCI还存在IRQ共享冲突，只能支持有限数量设备等问题。第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五硬件改良的限制

PCI现在已经接近了其性能的极限，工作频率很难提高，工作电压无法轻易降低，同步时钟数据传输受到信号失真的限制，而且其信号路由原则对经济有效的FR4技术是一种限制。虽然也有很多旨在跨越这些限制，以创造更高带宽的通用I/O总线方法，无奈它们在导致了成本急剧升高之外，对性能的增益却是少之又少。第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI规格应用的限制现今的软件应用对硬件平台提出了更多的要求，特别是I/O子系统。用台式机和笔记本电脑等设备，来处理不同来源的视频和音频数据流已经司空见惯了，而在PCI2.2或者PCI-X规范里对这种与时间有关的数据却缺乏相关的支持。比如视频点播和音频再分配等应用都使服务器受到实时限制。此外，如今的平台需要越来越高的带宽来处理多种同时传输的数据，不能再以同样方式对等处理所有的数据了，因为延迟的实时数据与没有数据一样都毫无意义。第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五处理器总线随着频率和电压一直都在稳定增长，而内存的带宽为了保持与处理器的速度，也在提高着。但就像图中所示，芯片组充当的是memoryhub和I/Ohub的作用，内存总线一直在随着处理器的更新换代而改变着。由于总线的带宽是有限的，因此在内存带宽提升的同时，I/O总线也被逐渐减少。第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五回顾总线的发展历程

(PCIExpress应运而生)第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCIExpress总线的出现对于整个电脑架构来说，PCI总线只有可怜的133MB/S，带宽早已是不堪负荷，处处堵塞。在经历了长达10年的修修补补，PCI总线已经无法满足电脑性能提升的要求，必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一带总线取而代之，这就是PCIExpress总线，由于是第三代输入/输出总线，所以简称3GIO（Third-GenerationInput/Output），另外它的开发代号是Arapahoe，所以又称为Arapahoe总线。第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCIExpress总线的发展

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（ArapahoeWorkingGroup）负责制定。在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进行审核。开始的时候大家都以为它会被命名为SerialPCI（受到串行ATA的影响），但最后却被正式命名为PCIExpress，Express意思是高速、特别快的意思。

2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCIExpress1.0规范，并且根据开发蓝图，将在2006年的时候正式推出Spec2.0（2.0规范），这就意味着在将后的3年内是Spec1.0的推广期，2004可以说是PCIExpress年，市场上出现了大量的支持PCIExpress规范的产品。第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCIExpress主要应用领域第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五在桌面电脑的应用在桌面电脑来说，它不仅带来了带宽的增加，还同时带来了巨大的性能增益。前面我们说到了，现时的PCI总线无法适应流媒体和即时通讯的需要，而PCIExpress则能够很好地解决这个问题。此外，它还能够支持更多的I/O设备，并且完全不需要担心不同的设备会占用中断的问题，因此它没有这个缺陷。更为重要的是，PCIExpress的引入，更是令游戏和多媒体爱好者欣喜若狂。由于它海量的带宽，基本上可以满足图形处理器在很长一段时间内的需要，带来了更好的显示效果，真正的采用电影化引擎的游戏，将在很短的时间内出现。第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五在移动计算平台的应用在移动计算平台来说，PCIExpress还支持更好的电源管理功能，在便携式计算平台可以说是受益菲浅。再加上Intel引入了全新的主板和电源规范，系统设计商们也能够更加灵活，设计出革新的产品。移动更加简便、性能更加强大、计算更加巧妙。第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五在企业级别的应用

在企业级别的应用，性能和带宽将比台式电脑得到进一步的提升。随之而来的是，可靠性、适用性、灵活性也同时得到了很大的改善。而且，PCIExpress就像USB一样，支持热插拔和热交换，因此它能够保持服务器和工作站无间断地运作，避免由于升级或者更换硬件停机而带来的损失。第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五在通讯领域的应用在通讯领域来说，PCIExpress可以带来商业&集中化的计算处理，建立标准化的节段环境，提高服务质量和使配置更加灵活。总的来说，PCIExpress为未来10年内的计算和通讯平台，提供了先进的功能。第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五3.PCI技术规格简介

第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI总线系统结构图第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI总线的分类从1992年创立规范到如今，PCI总线已成为了事实上计算机的标准总线。PCI总线渐渐地取代了ISA总线。它有许多优点，比如即插即用(PlugandPlay)、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。目前流行的是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。第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五一、基本概念第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五基本概念I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。第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五基本概念II32bitPCI系统的管脚按功能分成下几类：

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

第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五基本概念IIIPCI总线基本操作当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，目前流行的33M@32bit北桥芯片一般可以做到100MB/s的连续传输。第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五PCI总线基本操作图示第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五二、即插即用的实现第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五即插即用的实现I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，叫"配置空间"(ConfigurationSpace)，用来存放基地址与内存地址，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。操作系统要跟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。第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五三、中断共享的实现第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五中断共享的实现I

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