PCI（Peripheral Component Interconnect）總線的誕生與PC（Personal Computer）的蓬勃發展密切相關。在處理器體系結構中，PCI總線屬于局部總線（Local Bus）。局部總線作為系統總線的延伸，主要功能是為了連接外部設備。

處理器主頻的不斷提升，要求速度更快，帶寬更高的局部總線。起初PC使用8位的XT總線作為局部總線，并很快升級到16位的ISA（Industry Standard Architecture）總線，逐步發展到32位的EISA（Extended Industry Standard Architecture）、VESA（Video Electronics Standards Association）和MCA（Micro Channel Architecture）總線。

PCI總線規范在上世紀九十年代提出。這條總線推出之后，很快得到了各大主流半導體廠商的認同，迅速統一了當時并存的各類局部總線。EISA、VESA等其他32位總線很快就被PCI總線淘汰了。從那時起，PCI總線一直在處理器體系結構中占有重要地位。

在此后相當長的一段時間里，PC處理器系統的大多數外部設備都是直接或者間接地與PCI總線相連。即使目前PCI Express總線逐步取代了PCI總線成為PC局部總線的主流，也不能掩蓋PCI總線的光芒。

從軟件層面上看，PCI Express總線與PCI總線基本兼容；從硬件層面上看，PCI Express總線在很大程度上繼承了PCI總線的設計思路。因此PCI總線依然是軟硬件工程師在進行處理器系統的開發與設計時，必須要掌握的一條局部總線。

PCI總線V1.0規范僅針對在一個PCB（Printed Circuit Board）環境內的，器件之間的互連，而1993年4月30日發布的V2.0規范增加了對PCI插槽的支持。1995年6月1日，PCI V2.1總線規范發布，這個規范具有里程碑意義。正是這個規范使得PCI總線大規模普及，至此PCI總線完成了對（E）ISA和MCA總線的替換。

至1996年，VESA總線也逐漸離開了人們的視線，當然PCI總線并不能完全提供顯卡所需要的帶寬，真正替代VESA總線的是AGP總線。隨后PCISIG（PCI Special Interest Group）陸續發布了PCI總線V2.2，V2.3規范，并最終將PCI總線規范定格在V3.0。

除了PCI總線規范外，PCISIG還定義了一些與PCI總線相關的規范，如PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association）規范和MiniPCI規范。其中PCMCIA規范主要針對Laptop應用，后來PCMCIA升級為PC Card（Cardbus）規范，而PC Card又升級為ExpressCard規范。

PC Card規范基于32位，33MHz的PCI總線；而ExpressCard規范基于PCI Express和USB 2.0。這兩個規范都在Laptop領域中獲得了成功。除了PCMCIA規范外，Mini PCI總線也非常流行，與標準PCI插槽相比，Mini PCI插槽占用面積較小，適用于一些對尺寸有要求的應用。

除了以上規范之外，PCISIG還推出了一系列和PCI總線直接相關的規范。如PCI-to-PCI橋規范、PCI電源管理規范、PCI熱插拔規范和CompactPCI總線規范。其中PCI-to-PCI橋規范最為重要，理解PCI-to-PCI橋是理解PCI體系結構的基礎；而CompactPCI總線規范多用于具有背板結構的大型系統，并支持熱拔插。

PCISIG在PCI總線規范的基礎上，進一步提出PCI-X規范。與PCI總線相比，PCI-X總線規范可以支持133MHz、266MHz和533MHz的總線頻率，并在傳送規則上做了一些改動。雖然PCI-X總線還沒有得到大規模普及就被PCI Express總線替代，但是在PCI-X總線中提出的許多設計思想仍然被PCI Express總線繼承。

PCI總線規范是Intel對PC領域做出的一個巨大貢獻。Intel也在PCI總線規范留下了深深的印記，PCI總線規范的許多內容都與基于IA （Intel Architecture）架構的x86處理器密切相關。但是這并不妨礙其他處理器系統使用PCI總線，事實上PCI總線在非x86處理器系統上也取得了巨大的成功。目前絕大多數處理器系統都使用PCI/PCI Express總線連接外部設備，特別是一些通用外設。

隨著時間的推移，PCI和PCI-X總線逐步遇到瓶頸。PCI和PCI-X總線使用單端并行信號進行數據傳遞，由于單端信號容易被外部系統干擾，其總線頻率很難進一步提高。目前，為了獲得更高的總線頻率以提高總線帶寬，高速串行總線逐步替代了并行總線。PCI Express總線也逐漸替代PCI總線成為主流。但是從系統軟件的角度上看，PCI Express總線仍然基于PCI總線。理解PCI Express總線的一個基礎是深入理解PCI總線，同時PCI Express總線也繼承了PCI總線的許多概念。本篇將詳細介紹與處理器體系結構相關的，一些必備的PCI總線知識。

為簡化起見，本篇主要介紹PCI總線的32位地址模式。在實際應用中，使用64位地址模式的PCI設備非常少。而且在PCI Express總線逐漸取代PCI總線的大趨勢之下，將來也很難會有更多的，使用64位地址的PCI設備。如果讀者需要掌握PCI總線的64位地址模式，請自行閱讀PCI總線的相關規范。實際上，如果讀者真正掌握了PCI總線的32位地址模式之后，理解64位地址模式并不困難。

為節省篇幅，下文將PCI Express總線簡稱為PCIe總線，PCI-to-PCI橋簡稱為PCI橋，PCI Express-to-PCI橋簡稱為PCIe橋，Host-to-PCI主橋簡稱為HOST主橋。值得注意的是許多書籍將HOST主橋稱為PCI主橋或者PCI總線控制器。

PCI總線的基本知識

PCI總線作為處理器系統的局部總線，主要目的是為了連接外部設備，而不是作為處理器的系統總線連接Cache和主存儲器。但是PCI總線、系統總線和處理器體系結構之間依然存在著緊密的聯系。

PCI總線作為系統總線的延伸，其設計考慮了許多與處理器相關的內容，如處理器的Cache共享一致性和數據完整性，以及如何與處理器進行數據交換等一系列內容。其中Cache共享一致性和數據完整性是現代處理器局部總線的設計的重點和難點，也是本書將重點講述的主題之一。

獨立地研究PCI總線并不可取，因為PCI總線僅是處理器系統的一個組成部分。深入理解PCI總線需要了解一些與處理器體系結構相關的知識。這些知識是本書所側重描述的，同時也是PCI總線規范所忽略的內容。脫離實際的處理器系統，不容易也不可能深入理解PCI總線規范。

對于今天的讀者來說，PCI總線提出的許多概念略顯過時，也有許多不足之處。但是在當年，PCI總線與之前的存在其他并行局部總線如ISA、EISA和MCA總線相比，具有許多突出的優點，是一個全新的設計。

（1） PCI總線空間與處理器空間隔離

PCI設備具有獨立的地址空間，即PCI總線地址空間，該空間與存儲器地址空間通過HOST主橋隔離。處理器需要通過HOST主橋才能訪問PCI設備，而PCI設備需要通過HOST主橋才能主存儲器。在HOST主橋中含有許多緩沖，這些緩沖使得處理器總線與PCI總線工作在各自的時鐘頻率中，彼此互不干擾。HOST主橋的存在也使得PCI設備和處理器可以方便地共享主存儲器資源。

處理器訪問PCI設備時，必須通過HOST主橋進行地址轉換；而PCI設備訪問主存儲器時，也需要通過HOST主橋進行地址轉換。HOST主橋的一個重要作用就是將處理器訪問的存儲器地址轉換為PCI總線地址。PCI設備使用的地址空間是屬于PCI總線域的，而與存儲器地址空間不同。

x86處理器對PCI總線域與存儲器域的劃分并不明晰，這也使得許多程序員并沒有準確地區分PCI總線域地址空間與存儲器域地址空間。而本書將反復強調存儲器地址和PCI總線地址的區別，因為這是理解PCI體系結構的重要內容。

PCI規范并沒有對HOST主橋的設計進行約束。每一個處理器廠商使用的HOST主橋，其設計都不盡相同。HOST主橋是聯系PCI總線與處理器的核心部件，掌握HOST主橋的實現機制是深入理解PCI體系結構的前提。

本書將以Freescale的PowerPC處理器和Intel的x86處理器為例，說明各自HOST主橋的實現方式，值得注意的是本書涉及的PowerPC處理器僅針對Freescale的PowerPC處理器，而不包含IBM和AMCC的Power和PowerPC處理器。而且如果沒有特別說明，本書中涉及的x86處理器特指Intel的處理器，而不是其他廠商的x86處理器。

（2） 可擴展性

PCI總線具有很強的擴展性。在PCI總線中，HOST主橋可以直接推出一條PCI總線，這條總線也是該HOST主橋的所管理的第一條PCI總線，該總線還可以通過PCI橋擴展出一系列PCI總線，并以HOST主橋為根節點，形成1顆PCI總線樹。這些PCI總線都可以連接PCI設備，但是在1顆PCI總線樹上，最多只能掛接256個PCI設備（包括PCI橋）。

在同一條PCI總線上的設備間可以直接通信，并不會影響其他PCI總線上設備間的數據通信。隸屬于同一顆PCI總線樹上的PCI設備，也可以直接通信，但是需要通過PCI橋進行數據轉發。

PCI橋是PCI總線的一個重要組成部件，該部件的存在使得PCI總線極具擴展性。PCI橋也是有別于其他局部總線的一個重要部件。在“以HOST主橋為根節點”的PCI總線樹中，每一個PCI橋下也可以連接一個PCI總線子樹，PCI橋下的PCI總線仍然可以使用PCI橋繼續進行總線擴展。

PCI橋可以管理這個PCI總線子樹，PCI橋的配置空間含有一系列管理PCI總線子樹的配置寄存器。在PCI橋的兩端，分別連接了兩條總線，分別是上游總線（Primary Bus）和下游總線（Secondary Bus）。其中與處理器距離較近的總線被稱為上游總線，另一條被稱為下游總線。這兩條總線間的通信需要通過PCI橋進行。PCI橋中的許多概念被PCIe總線采納，理解PCI橋也是理解PCIe體系結構的基礎。

（3） 動態配置機制

PCI設備使用的地址可以根據需要由系統軟件動態分配。PCI總線使用這種方式合理地解決了設備間的地址沖突，從而實現了“即插即用”功能。從而PCI總線不需要使用ISA或者EISA接口卡為解決地址沖突而使用的硬件跳線。

每一個PCI設備都有獨立的配置空間，在配置空間中含有該設備在PCI總線中使用的基地址，系統軟件可以動態配置這個基地址，從而保證每一個PCI設備使用的物理地址并不相同。PCI橋的配置空間中含有其下PCI子樹所能使用的地址范圍。

（4） 總線帶寬

PCI總線與之前的局部總線相比，極大提高了數據傳送帶寬，32位/33MHz的PCI總線可以提供132MB/s的峰值帶寬，而64位/66MHz的PCI總線可以提供的峰值帶寬為532MB/s。雖然PCI總線所能提供的峰值帶寬遠不能和PCIe總線相比，但是與之前的局部總線ISA、EISA和MCA總線相比，仍然具有較大的優勢。

ISA總線的最高主頻為8MHz，位寬為16，其峰值帶寬為16MB/s；EISA總線的最高主頻為8.33MHz，位寬為32，其峰值帶寬為33MB/s；而MCA總線的最高主頻為10MHz，最高位寬為32，其峰值帶寬為40MB/s。PCI總線提供的峰值帶寬遠高于這些總線。

（5） 共享總線機制

PCI設備通過仲裁獲得PCI總線的使用權后，才能進行數據傳送，在PCI總線上進行數據傳送，并不需要處理器進行干預。

PCI總線仲裁器不在PCI總線規范定義的范圍內，也不一定是HOST主橋和PCI橋的一部分。雖然絕大多數HOST主橋和PCI橋都包含PCI總線仲裁器，但是在某些處理器系統的設計中也可以使用獨立的PCI總線仲裁器。如在PowerPC處理器的HOST主橋中含有PCI總線仲裁器，但是用戶可以關閉這個總線仲裁器，而使用獨立的PCI總線仲裁器。

PCI設備使用共享總線方式進行數據傳遞，在同一條總線上，所有PCI設備共享同一總線帶寬，這將極大地影響PCI總線的利用率。這種機制顯然不如PCIe總線采用的交換結構，但是在PCI總線盛行的年代，半導體的工藝、設計能力和制作成本決定了采用共享總線方式是當時的最優選擇。

（6） 中斷機制

PCI總線上的設備可以通過四根中斷請求信號INTA~D#向處理器提交中斷請求。與ISA總線上的設備不同，PCI總線上的設備可以共享這些中斷請求信號，不同的PCI設備可以將這些中斷請求信號“線與”后，與中斷控制器的中斷請求引腳連接。PCI設備的配置空間記錄了該設備使用這四根中斷請求信號的信息。

PCI總線進一步提出了MSI（Message Signal Interrupt）機制，該機制使用存儲器寫總線事務傳遞中斷請求，并可以使用x86處理器FSB（Front Side Bus）總線提供的Interrupt Message總線事務，從而提高了PCI設備的中斷請求效率。

雖然從現代總線技術的角度上看，PCI總線仍有許多不足之處，但也不能否認PCI總線已經獲得了巨大的成功，不僅x86處理器將PCI總線作為標準的局部總線連接各類外部設備，PowerPC、MIPS和ARM［1］處理器也將PCI總線作為標準局部總線。除此之外，基于PCI總線的外部設備，如以太網控制器、聲卡、硬盤控制器等，也已經成為主流。

［1］ 在ARM處理器中，使用SoC平臺總線，即AMBA總線，連接片內設備。但是某些ARM生產廠商，依然使用AMBA-to-PCI橋推出PCI總線，以連接PCI設備。

PCI總線的組成結構

如上文所述，PCI總線作為處理器系統的局部總線，是處理器系統的一個組成部件，講述PCI總線的組成結構不能離開處理器系統這個大環境。

在一個處理器系統中，與PCI總線相關的模塊包括，HOST主橋、PCI總線、PCI橋和PCI設備。PCI總線由HOST主橋和PCI橋推出，HOST主橋與主存儲器控制器在同一級總線上，PCI設備可以方便地通過HOST主橋訪問主存儲器，即進行DMA操作。

值得注意的是，PCI設備的DMA操作需要與處理器系統的Cache進行一致性操作，當PCI設備通過HOST主橋訪問主存儲器時，Cache一致性模塊將進行地址監聽，并根據監聽的結果改變Cache的狀態。

在一些簡單的處理器系統中，可能不含有PCI橋，此時所有PCI設備都是連接在HOST主橋推出的PCI總線上，此外在一些處理器系統中可能含有多個HOST主橋，如在圖1?1所示的處理器系統中含有HOST主橋x和HOST主橋Y。

1.1.1 HOST主橋

HOST主橋是一個很特別的橋片，其主要功能是隔離處理器系統的存儲器域與處理器系統的PCI總線域，管理PCI總線域，并完成處理器與PCI設備間的數據交換。處理器與PCI設備間的數據交換主要由“處理器訪問PCI設備的地址空間”和“PCI設備使用DMA機制訪問主存儲器”這兩部分組成。

為簡便起見，下文將處理器系統的存儲器域簡稱為存儲器域，而將處理器系統的PCI總線域稱為PCI總線域，存儲器域和PCI總線域的詳細介紹見第2.1節。值得注意的是，在一個處理器系統中，有幾個HOST主橋，就有幾個PCI總線域。

HOST主橋在處理器系統中的位置并不相同，如PowerPC處理器將HOST主橋與處理器集成在一個芯片中。而有些處理器不進行這種集成，如x86處理器使用南北橋結構，處理器內核在一個芯片中，而HOST主橋在北橋中。但是從處理器體系結構的角度上看，這些集成方式并不重要。

PCI設備通過HOST主橋訪問主存儲器時，需要與處理器的Cache進行一致性操作，因此在設計HOST主橋時需要重點考慮Cache一致性操作。在HOST主橋中，還含有許多數據緩沖，以支持PCI總線的預讀機制。

HOST主橋是聯系處理器與PCI設備的橋梁。在一個處理器系統中，每一個HOST主橋都管理了一顆PCI總線樹，在同一顆PCI總線樹上的所有PCI設備屬于同一個PCI總線域。如圖1?1所示，HOST主橋x之下的PCI設備屬于PCI總線x域，而HOST主橋y之下的PCI設備屬于PCI總線y域。在這顆總線樹上的所有PCI設備的配置空間都由HOST主橋通過配置讀寫總線周期訪問。

如果HOST主橋支持PCI V3.0規范的Peer-to-Peer數據傳送方式，那么分屬不同PCI總線域的PCI設備可以直接進行數據交換。如圖1?1所示，如果HOST主橋y支持Peer-to-Peer數據傳送方式，PCI設備y01可以直接訪問PCI設備01或者PCI設備11，而不需要通過處理器的參與。但是這種跨越總線域的數據傳送方式在PC架構中并不常用，在PC架構中，重點考慮的是PCI設備與主存儲器之間的數據交換，而不是PCI設備之間的數據交換。此外在PC架構中，具有兩個HOST主橋的處理器系統也并不多見。

在PowerPC處理器中，HOST主橋可以通過設置Inbound寄存器，使得分屬于不同PCI總線域的設備可以直接通信。許多PowerPC處理器都具有多個HOST主橋，有關PowerPC處理器使用的HOST主橋詳見第2.2節。

1.1.2 PCI總線

在處理器系統中，含有PCI總線和PCI總線樹這兩個概念。這兩個概念并不相同，在一顆PCI總線樹中可能具有多條PCI總線，而具有血緣關系的PCI總線組成一顆PCI總線樹。如在圖1?1所示的處理器系統中，PCI總線x樹具有兩條PCI總線，分別為PCI總線x0和PCI總線x1。而PCI總線y樹中僅有一條PCI總線。

PCI總線由HOST主橋或者PCI橋管理，用來連接各類設備，如聲卡、網卡和IDE接口卡等。在一個處理器系統中，可以通過PCI橋擴展PCI總線，并形成具有血緣關系的多級PCI總線，從而形成PCI總線樹型結構。在處理器系統中有幾個HOST主橋，就有幾顆這樣的PCI總線樹，而每一顆PCI總線樹都與一個PCI總線域對應。

與HOST主橋直接連接的PCI總線通常被命名為PCI總線0。考慮到在一個處理器系統中可能有多個主橋，圖1?1將HOST主橋x推出的PCI總線命名為x0總線，而將PCI橋x1擴展出的PCI總線稱之為x1總線；而將HOST主橋y推出的PCI總線稱為y0~yn。分屬不同PCI總線樹的設備，其使用的PCI總線地址空間分屬于不同的PCI總線域空間。

1.1.3 PCI設備

在PCI總線中有三類設備，PCI主設備、PCI從設備和橋設備。其中PCI從設備只能被動地接收來自HOST主橋，或者其他PCI設備的讀寫請求；而PCI主設備可以通過總線仲裁獲得PCI總線的使用權，主動地向其他PCI設備或者主存儲器發起存儲器讀寫請求。而橋設備的主要作用是管理下游的PCI總線，并轉發上下游總線之間的總線事務。

一個PCI設備可以即是主設備也是從設備，但是在同一個時刻，這個PCI設備或者為主設備或者為從設備。PCI總線規范將PCI主從設備統稱為PCI Agent設備。在處理器系統中常見的PCI網卡、顯卡、聲卡等設備都屬于PCI Agent設備。

在PCI總線中，HOST主橋是一個特殊的PCI設備，該設備可以獲取PCI總線的控制權訪問PCI設備，也可以被PCI設備訪問。但是HOST主橋并不是PCI設備。PCI規范也沒有規定如何設計HOST主橋。

在PCI總線中，還有一類特殊的設備，即橋設備。橋設備包括PCI橋、PCI-to-（E）ISA橋和PCI-to-Cardbus橋。本篇重點介紹PCI橋，而不關心其他橋設備的實現原理。PCI橋的存在使PCI總線極具擴展性，處理器系統可以使用PCI橋進一步擴展PCI總線。

PCI橋的出現使得采用PCI總線進行大規模系統互連成為可能。但是在目前已經實現的大規模處理器系統中，并沒有使用PCI總線進行處理器系統與處理器系統之間的大規模互連。因為PCI總線是一個以HOST主橋為根的樹型結構，使用主從架構，因而不易實現多處理器系統間的對等互連。

即便如此PCI橋仍然是PCI總線規范的精華所在，掌握PCI橋是深入理解PCI體系結構的基礎。PCI橋可以連接兩條PCI總線，上游PCI總線和下游PCI總線，這兩個PCI總線屬于同一個PCI總線域，使用PCI橋擴展的所有PCI總線都同屬于一個PCI總線域。

其中對PCI設備配置空間的訪問可以從上游總線轉發到下游總線，而數據傳送可以雙方向進行。在PCI總線中，還存在一種非透明PCI橋，該橋片不是PCI總線規范定義的標準橋片，但是適用于某些特殊應用，本篇將在第2.5節中詳細介紹這種橋片。在本書中，如不特別強調，PCI橋是指透明橋，透明橋也是PCI總線規范定義的標準橋片。

PCI-to-（E）ISA橋和PCI-to-Cardbus橋的主要作用是通過PCI總線擴展（E）ISA和Cardbus總線。在PCI總線推出之后，（E）ISA總線并沒有在處理器系統中立即消失，此時需要使用PCI-（E）ISA橋擴展（E）ISA總線，而使用PCI-to-Cardbus橋用來擴展Cardbus總線，本篇并不關心（E）ISA和Cardbus總線的設計與實現。

1.1.4 HOST處理器

PCI總線規定在同一時刻內，在一顆PCI總線樹上有且只有一個HOST處理器。這個HOST處理器可以通過HOST主橋，發起PCI總線的配置請求總線事務，并對PCI總線上的設備和橋片進行配置。

在PCI總線中，HOST處理器是一個較為模糊的概念。在SMP（symmetric multiprocessing）處理器系統中，所有CPU都可以通過HOST主橋訪問其下的PCI總線樹，這些CPU都可以作為HOST處理器。但是值得注意的是，HOST主橋才是PCI總線樹的實際管理者，而不是HOST處理器。

在HOST主橋中，設置了許多寄存器，HOST處理器通過操作這些寄存器管理這些PCI設備。如在x86處理器的HOST主橋中設置了0xCF8和0xCFC這兩個I/O端口訪問PCI設備的配置空間，而PowerPC處理器的HOST主橋設置了CFG_ADDR和CFG_DATA寄存器訪問PCI設備的配置空間。值得注意的是，在PowerPC處理器中并沒有I/O端口，因此使用存儲器映像尋址方式訪問外部設備的寄存器空間。

1.1.5 PCI總線的負載

PCI總線的所能掛接的負載與總線頻率相關，其中總線頻率越高，所能掛接的負載越少。下文以 PCI總線和PCI-X總線為例說明總線頻率、峰值帶寬和負載能力之間的關系，如表1?1所示。

表1?1 PCI總線頻率、帶寬與負載之間的關系

總線類型總線頻率峰值帶寬負載能力

PCI33MHz133MB/s4-5個插槽

66MHz266MB/s1-2個插槽

PCI-X66MHz266MB/s4個插槽

133MHz533MB/s2個插槽

266MHz1066MB/s1個插槽

533MHz2131MB/s1個插槽

由表1?1所示，PCI總線頻率越高，所能掛接的負載越少，但是整條總線所能提供的帶寬越大。值得注意的是，PCI-X總線與PCI總線的傳送協議略有不同，因此66MHz的PCI-X總線的負載數較大，PCI-X總線的詳細說明見第1.5節。當PCI-X總線頻率為266MHz和533MHz時，該總線只能掛接一個PCI-X插槽。在PCI總線中，一個插槽相當于兩個負載，接插件和插卡各算為一個負載，在表1?1中，33MHz的PCI總線可以掛接4~5個插槽，相當于直接掛接8~10個負載。

編輯：jq