Основные характеристики и принципы функционирования PCI - шины

PCI ( P eripheral C omponent I nterconnect bus)-шина – шина, применяемая для подсоединения периферийных устройств. Шина PCI - первая шина в архитектуре IBM PC, которая не привязана к этой архитектуре. Она является процессорно-независимой и применяется, например, в компьютерах Macintosh. Массовое применение получила в комплексе с Pentium-системами, но возможно её использование и с 486 процессорами

Имеет следующие основные характеристики:

• Частота шины колеблется в пределах от 20 до 33 МГц
• Теоретически максимальная скорость 132/264 Мбайт/с для 32/64 бит.
• Частота на шине PCI в современных материнских платах задается как 1/2 входной частоты процессора. Таким образом, при частоте 66 MHz на PCI-шине 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, причём 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.
• Автоконфигурирование устройств - выбор запросов прерывания каналов DMA - поддерживается средствами BIOS материнской платы по образу и подобию стандарта Plug & Play.
• Поддержка "горячей" замены PCI устройств, называемой в стандарте как PCI Hot-Plug, позволяет добавлять/изымать PCI платы без выключения компьютера, что особенно необходимо для серверных платформ.

В стандарте PCI для каждого слота определено конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров. Это пространство не приписано 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, которые расположены в его пространстве ввода-вывода. Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) имеет возможность подключения к нескольким каналам PCI. Тем самым обеспечивается возможность одновременной передачи данных между независимыми каналами PCI

На PCI определены два основных вида устройств - инициатор (задатчик) - устройство, получившее от арбитра шины разрешение на её захват, и устройство назначения - цель (target), с которым инициатор выполняет цикл обмена данными. В отличие от остальных шин, компоненты расположены на левой поверхности плат PCI-адаптеров, поэтому крайний PCI-слот обычно разделяет использование посадочного места с соседним ISA-слотом (Shared slot). Вообще, слот PCI способен обеспечить подключение любого контроллера на системной плате; он может сосуществовать с любой из других шин ввода-вывода. 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

Основные модификации PCI-шин

Существует две основные модификации PCI-шин:

1. PCI-X
2. Compact PCI

Рассмотрим каждую из них в отдельности

1.PCI-X

Официальный взгляд Intel на PCI-X выглядит так: PCI-X хорошая шина, но жизнь ее будет недолговечной. Такая позиция связана с тем, что в то время Intel активно вела разработку собственной шины NGIO, которая должна была, согласно мнениям специалистов из Intel, обойти PCI-X по переспективности и производительности. Тем не менее летом 1999 года консорциум SIG по PCI принял спецификацию принципиально нового варианта шины PCI - PCI-X, обладающую превосходными техническими параметрами

Время покажет, кто победит, но очевидно, что только при поддержке PCI-X Intel в своих chipset она может найти широкое распространение, ведь до настоящего времени практически все интерфейсы, разрабатываемые Intel (AGP,PCI, USB) принимались компьютерной индустрией. В то же время активное участие таких крупных компаний как IBM, Compaq, Hewlett-Packard в разработке PCI-X дает новой шине существенные шансы на успех

Основные отличия PCI-X от PCI:

• тактовая частота шины до 133 MHz
• 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 уменьшен временной отрезок, выделяемый на операции в PCI-X (все времена в наносекундах).

Основные функциональные отличия представлены в таблице:

Примечания:

DDR - Double Data Rate - удвоенная скорость обмена данными

QDR - Quad Data Rate - учетверенная скорость обмена данными

2.Шина Compact PCI (cPCI)

Разработана на основе спецификации PCI версии 2.1. Основное отличие от обычной PCI - большое количество поддерживаемых слотов для одной шины: 8 против 4. В связи с этим появились новые 4 пары сигналов запросов и предоставления управления шиной

Основные характеристики:

• 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 на частоте 66 МГц, при этом производительность удваивается.

- поддерживает спецификацию PnP: в ней работают все механизмы идентификации и автоконфигурирования, имеющиеся в PCI

• 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. Это хорошая альтернатива системе PnP - здесь модуль "встанет" всегда в одни и те же адреса, которые без физического вмешательства ничем не собъются).

Внешне 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

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

*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

Подтверждение прерывания (0000)

Контроллер прерываний автоматически распознает сигнал INTA и реагирует на него передачей вектора прерывания по шине AD

Специальный цикл (0001)

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 isabus.htm

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)