PCI – шина

PCI - шина
PCI (Peripheral Component Interconnect bus) - шина для подсоединения
периферийных устройств. Стала массово применяться для Pentium-систем, но
используется и с 486 процессорами. Частота шины от 20 до 33 МГц, теоретически
максимальная скорость 132/264 Мбайт/с для 32/64 бит. В современных материнских
платах частота на шине PCI задается как 1/2 входной частоты процессора, т.е при
частоте 66 MHz на PCI будет 33 MHz, при 75 MHz - 37.5 MHz.
Имеет версии с питанием 5V, 3.3V и универсальную (с переключением линий +VI/O c
5V на 3,3V). Ключами являются пропущенные ряды контактов 12, 13 и 50, 51. Для
слота с питанием 5V ключ расположен на месте контактов 50, 51, для 3,3 В - 12,
13, а для универсального - два ключа: 12, 13 и 50,51. 32-битный слот
заканчивается контактами А62/В62, 64-битный - А94/В94.
Слот PCI самодостаточен для подключения любого контроллера на системной плате
может сосуществовать с любой из других шин ввода-вывода.
Шина PCI - первая шина в архитектуре IBM PC, которая не привязана к этой
архитектуре. Она является процессорно-независимой и применяется, например, в
компьютерах Macintosh.
В отличие от остальных шин, компоненты расположены на левой поверхности плат
PCI-адаптеров. По этой причине крайний PCI-слот обычно разделяет использование
посадочного места с соседним ISA-слотом (Shared slot).
Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) может быть подключен к
нескольким каналам PCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных
между независимыми каналами PCI.
Автоконфигурирование устройств (выбор запросов прерывания, каналов DMA)
поддерживается средствами BIOS материнской платы по образу и подобию стандарта
Plug & Play.
Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером
до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к
пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам
шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым контроллером при
обращении процессора к регистрам контроллера шины PCI, расположенным в его
пространстве ввода-вывода.
На PCI определены два основных вида устройств - инициатор (по ГОСТ - задатчик),
т.е. устройство, получившее от арбитра шины разрешение на захват ее и устройство
назначения, цель (target) с которым инициатор выполняет цикл обмена данными.
Поддержка "горячей" замены PCI устройств, называемой в стандарте как PCI
Hot-Plug. Ввод этой функции позволит добавлять/изымать PCI платы без выключения
компьютера. Такая возможность особенно необходима для серверных платформ
Система управления энергопотреблением для устройств на шине PCI. Позволяет
управлять энергопотреблением как для внешних PCI плат так и для встроенных на
материнской плате устройств. Механизм управления подстроен под стандарт ACPI для
облегчения управления энергопотреблением PCI устройств со стороны операционной
системы.
Дополнены и переработаны требования к конструктивной реализации PCI плат.
Сигналы шины PCI
Знак - (минус) перед названием сигнала означает, что активный уровень этого
сигнала логический ноль, обозначение {XX:0} означает группу сигналов с номерами
от 0 до XX.
AD{31:0} - мультиплексированная шина адреса/данных. Адрес передается по сигналу
- FRAME, в последующих тактах передаются данные.
-C/ BE{3:0} - команда/разрешение обращения к байтам. Команда, определяющая тип
очередного цикла шины (чтение-запись памяти, ввода/вывода или чтение/запись
конфигурации, подтверждение прерывания и другие) задается четырехбитным кодом в
фазе адреса по сигналу - FRAME.
-FRAME - индикатор фазы адреса (иначе - передача данных).
-DEVSEL - выбор инициатором устройства назначения.
-IRDY - готовность инициатора к обмену данными.
-TRDY - готовность устройства назначения к обмену данными.
-STOP - запрос устройства назначения к инициатору на останов текущей транзакции.
-LOCK - используется для установки, обслуживания и освобождения захвата ресурса
на PCI.
-REQ {3:0} - запрос от PCI-устройства на захват шины (для слотов 3:0).
-GNT {3 0} - разрешение мастеру на использование шины.
PAR - общий бит четности для линий AD{31:0} и C/BE{3:0}.
-ParityER - сигнал об ошибке по четности (от устройства, ее обнаружившего).
-RST - сброс всех устройств.
IDSEL - выбор устройства назначения в циклах считывания и записи конфигурации.
-SERR - системная ошибка, активизируется любым устройством PCI и вызывает
емаскируемое прерывание процессора (NMI).
-REQ64 - запрос на 64-битный обмен.
-ASK64 - подтверждение 64-битного обмена.
-INTR A,B,C,D - линии запросов прерывания, направляются на доступные линии IRQ
BIOS компьютера. Запрос по низкому уровню допускает разделяемое использование
линий прерывания.
Clock - сигнал синхронизации на тактовой частоте шины.
Test Clock, -TSTRES, TestDO, TestDI - сигналы для тестирования адаптеров по
интерфейсу JTAG (на системной плате обычно не задействованы).
TSTMSLCT - перевод в режим тестирования.
Разъем шины PCI
Ряд ВНомерРяд АРяд ВНомерРяд А
-12 В1-TSTRES-C / BE 326IDSEL
Test Clock 2+12 BAD 2327+3,3 B
GND3TSTMSLCTGND28AD 22
Test DO4Test DOAD 2129AD 20
+5 B5+5 BAD 1930GND
+5 B6-INTR A+3,3 B31AD 18
-INTR B7-INTR CAD 1732AD 16
-INTR D8+5 B-C / BE 233+3,3 B
-PRSNT 19ReservedGND34-FRAME
Reserved10+VI / O-IRDY35GND
-PRSNT 211Reserved+3,3 B36-TRDY
GND / Ключ 12GND /Ключ-DEVSEL37GND
GND / Ключ13GND /КлючGND38-STOP
Reserved14Reserved-Lock39+3,3 B
GND15-RSTParityER40SDONE
Clock16+VI / O+3,3 B41-SBOFF
GND17-GNTSysERR42GND
-REQ18GND+3,3 B43PAR
+V I/O19Reserved-C / BE 144AD 15
AD 3120AD 30AD 1445+3,3 B
AD 2921+3,3 BGND46AD 13
GND22AD 28AD 1247AD 11
AD 2723AD 26AD 1048GND
AD 2524GNDGND49AD 9
+3,3 B25AD 24GND / Ключ50**GND / Ключ
GND /Ключ51****GND / КлючGND73AD 56
AD 852-C / BE 0AD 5574AD 54
AD 753+3,3 BAD 5375+VI / O
+3,3 B54AD 6GND76AD 52
AD 555AD 4AD 5177AD 50
AD 356GNDAD 4978GND
GND57AD 2+VI / O79AD 48
AD 158AD 0AD 4780AD 46
+ VI / O59+VI / OAD 4581GND
-ACK 6460-REQ64GND82AD 44
+5 B61+5BAD 4383AD 42
+5 B62+5BAD 4184+VI / O
Конец 32-битного разъемаGND85AD 40
AD 3986AD 38
Reserved63GNDAD 3787GND
GND64-C / BE 7+VI / O88AD 36
-C / BE65- C / BE 5AD 3589AD 34
-C / BE66+ VI / OAD 3390GND
GND67PAR 64GND91AD 32
AD 6368AD 62Reserved92Reserved
AD 6169GNDReserved93GND
+VI / O70AD 60GND94Reserved
AD 5971AD 58Конец 64-битного разъема
AD 5772GND

*12, 13 - ключ для 3,3V
**50,51 - ключ для 5V
Циклы шины
По сигналам C/BE (от C/BE3 до C/BE0) во время фазы передачи адреса определяется
тип цикла передачи данных.
C/BEКоманда
0000Interrupt Acknowledge (подтверждение прерывания)
0001Special Cycle (специальный цикл)
0010I/O Read (чтение порта)
0011I/O Write (запись в порт)
0100Reserved (резервировано)
0101Reserved (резервировано)
0110Memory Read (чтение памяти)
0111Memory Write (запись в память)
1000Reserved (резервировано)
1001Reserved (резервировано)
1010Configuration Read (чтение конфигурации)
1011Configuration Write (запись конфигурации)
1100Multiple Memory Read (множественное чтение памяти)
1101Dual Address Cycle (двойной цикл адреса)
1110Memory-Read Line (чтение памяти)
1111Memory Write and Invalidate (запись в память и проверка)

Подтверждение прерывания (0000)
Контроллер прерываний автоматически распознает сигнал INTA и реагирует на него
передачей вектора прерывания по шине AD.
Специальный цикл (0001)AD15-AD0Описание
0x0000Processor Shutdown (процессор прекращает работу)
0x0001Processor Halt (останов процессора)
0x0002x86 Specific Code (специальный код для машин на архитектуре Intel
x86)
0x0003 to 0xFFFFReserved (зарезервировано)

Чтение порта (0010) и запись в порт (0011)
Порты ввода/вывода на шине PCI могут быть 8 или 16-ти разрядными, хотя
собственно стандарт на шину PCI позволяет иметь 32-х разрядное адресное
пространство. Это вызвано тем, что на компьютерах с архитектурой Intel x86,
адрес порта может иметь не более 16 разрядов. Пока и 16-ти разрядный адрес порта
не может быть использован, так как карты на шине ISA
могут декодировать только 10 разрядов.
Адресное пространство конфигурации доступно по адресам портов 0x0CF8 (Адрес) и
0x0CFC (Данные), причем адрес должен быть записан первым.
Чтение памяти (0110) и запись в память (0111)
По шинам AD передается адрес двойным словом (четыре байта). Сигналы AD0 и AD1
декодировать не требуется. Истинность данных определяется сигналами C/BE.
Чтение конфигурации (1010) и запись конфигурационных данных (1011)
Эти операции выполняются для конфигурационного пространства PCI карты. Размер
области конфигурации составляет 256 байт, причем читать/записывать в нее можно
только в 32-х разрядной сетке, т.е. двойными словами. Поэтому AD0 и AD1 должны
быть установлены в 0, AD2-7 содержать адрес двойного слова, AD8-10 используются
для выбора адресуемого устройства, а оставшиеся шины адреса игнорируются.
Двойной цикл адреса (1101)
Двойной цикл адреса необходим в том случае, если необходимо передать 64-х
разрядный адрес в версии PCI с 32-х разрядной адресной сетке. В первом цикле
передаются четыре младших байта адреса, затем четыре старших байта. Во втором
цикле необходимо также передать команду, определяющую тип устройства, чей адрес
выставлен (порт ввода/вывода, память и т.д.). Собственно PCI поддерживает 64
разряда адреса для портов ввода/вывода, но в PC на процессорах архитектуры от
Intel такое адресное пространство не поддерживается (не позволяет сам
процессор).

PCI-X
Летом 1999 года консорциум SIG по PCI принял спецификацию принципиально нового
варианта шины PCI - PCI-X. Несмотря на превосходные технические параметры, новая
шина разрабатывалась под скептическим взглядом Intel, которая активно ведет
разработку собственной шины NGIO. До настоящего времени практически все
интерфейсы, разрабатываемые Intel (AGP,PCI, USB) принимались компьютерной
индустрией Официальный взгляд Intel на PCI-X выглядит так: PCI-X хорошая шина,
но жизнь ее будет недолговечной, так как когда мы разработаем и утвердим NGIO,
PCI-X уйдет с рынка, проиграв NGIO по переспективности и производительности.
Время покажет, кто победит, но очевидно, что только при поддержке PCI-X Intel в
своих chipset она может найти широкое распространение.
Активное участие таких крупных компаний как IBM, Compaq, Hewlett-Packard в
разработке PCI-X тем не менее дает новой шине существенные шансы на успех, и,
кроме этого, в ее пользу говорит принятие спецификации PCI-X в то время как NGIO
еще находится в разработке.
Основные отличия PCI-X от PCI:
тактовая частота шины до 133 MHz
возможно использование различных слотов для разных скоростей обмена данными;
стандарт предусматривает 1 слот с частотой 133 MHz, 2 слота на 100 MHz,
остальные слоты могут использоваться на частоты 33 и 66 MHz.
значительно уменьшено время, выделяемое на операции в PCI-X (все времена в
наносекундах).
Параметр133 MHz PCI-X100 MHz PCI-X66 MHz PCI-X66 MHz обычная PCI33 MHz
обычная PCI
Tval (max)3.83.83.8611
Tprop2.04.59.5510
Tskew0.50.50.512
Tsu1.21.21.237
Tcyc7.510151530
Thold00012

Основные функциональные отличия сведены в таблицу:
ВозможностиPCIAGP1.0AGP2.0PCI-X
Совместимость с PCIДаНетНетДа
Скорость шины 100 MhzНетНетНетДа
Скорость шины 133 MhzНет66 DDR66 DDRДа
Скорость шины 266 MhzНетНет66 QDRНет
Разрядность шины данных32/64323264
Разрядность шины адреса32/6432/36/6432/47/6464
Максимальная скорость обмена, MBytes/s53353310641064
Допустимость нескольких слотовДаНетНетДа
Иерархическая топологияДаНетНетДа
Некогерентные транзакцииНетДаДаДа
Идентификатор устройства и шины (позволяет оптимизировать параметры
обмена)НетНетНетДа

Примечания:
DDR - Double Data Rate - удвоенная скорость обмена данными
QDR - Quad Data Rate - учетверенная скорость обмена данными
Шина Compact PCI (cPCI) разрабатывалась на основе спецификации PCI версии 2.1.
От обычной PCI эта шина отличается большим количеством поддерживаемых слотов для
одной шины: 8 против 4. Всвязи с этим появились новые 4 пары сигналов запросов и
предоставления управления шиной. Шина поддерживает 32-битные и 64-битные обмены
(с индивидуальным разрешением байт). При частоте шины 33 МГц максимальная
пропускная способность составляет 133 Мб/с для 32 бит и 266 Мб/с для 64 бит (в
середине пакетного цикла). Возможна работа и на частоте 66 МГц, при этом
производительность удваивается. Шина поддерживает спецификацию PnP - в ней
работают все механизмы идентификации и автоконфигурирования, имеющиеся в PCI.
Кроме того, в шине возможно применение географической адресации, при которой
адрес модуля (на который он отзывается при программном обращении) определяется
его положением в каркасе.
Для этого на коннекторе J1 имеются контакты GA0...GA4, коммутацией которых на
"землю" для каждого слота может быть задан его двоичный адрес. Географическая
адресация позволяет переставлять однотипные модули, не заботясь о
конфигурировании их адресов (хорошая альтернатива системе PnP - здесь модуль
"встанет" всегда в одни и те же адреса, которые без физического вмешательства
ничем не собъются). Конструктивно платы Compact PCI представляют собой еврокарты
высотой 3U (100 x 160 мм) с одним коннектором или 6U (233 x 160 мм) с двумя
коннекторами. Коннекторы - 7-рядные штырьковые разъемы с шагом 2 мм между
контактами, на кросс-плате - вилка, на модулях - розетки. Контакты коннекторов
имеют разную длину: более длинные контакты цепей питания при установке модуля
соединяются раньше, а при вынимании разъединяются позже, чем сигнальные.
Такое решение закладывает основу для реализации возможности "горячей" замены
модулей. Собственно шина использует только один коннектор (J1), причем в
32-битном варианте не полностью - часть контактов выделяются на использование по
усмотрению пользователя. 64-битная шина использует коннектор полностью. Одно
посадочное место на кросс-плате резервируется под контроллер шины, на который
возлагаются функции арбитража и синхронизации. На его коннекторе шиной
используется большее число контактов, чем на остальных. У больших плат коннектор
J2 отдается на использование по усмотрению пользователя (разработчика), а между
коннекторами J1 и J2 может устанавливаться 95-контактный коннектор J3.
Конструкция коннекторов позволяет для J2 применять специфические модификации, в
которых может, например, присутствовать разделяющий экран и механические ключи.
В шине предусматривается наличие независимых источников питания +5 В, +3.3 В и
+/-12 В.