PCI定義
PCI總線特點
PCI 總線結構圖
PCI即Peripheral Component Interconnect，中文意思是“外圍器件互聯”，是由PCISIG(PCI Special Interest Group)推出的一種局部并行總線标準。PCI總線是由ISA(Industy Standard Architecture)總線發展而來的，ISA并行總線有8位和16位兩種模式，時鐘頻率為8MHz，工作頻率為33MHz/66MHz。是一種同步的獨立于處理器的32位或64位局部總線。從結構上看，PCI是在CPU的供應商和原來的系統總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現對這一層的管理，并實現上下之間的接口以協調數據的傳送。從1992年創立規範到如今，PCI總線已成為了計算機的一種标準總線。已成為局部總線的新标準，廣泛用于當前高檔微機、工作站，以及便攜式微機。主要用于連接顯示卡、網卡、聲卡。PCI總線是32位同步複用總線。其地址和數據線引腳是AD31～AD0。PCI的工作頻率為33MHz。
數據采集是測試系統的關鍵環節，高速數據采集對提高整個系統的性能有着重要意義。在動态測試領域，經常需要在現場進行高速的實時采集。PCI總線結構簡單、成本低且技術成熟，是數據采集領域主流的總線系統。
PCI總線結構
PCI總線是一種樹型結構，并且獨立于CPU總線，可以和CPU總線并行操作。PCI總線上可以挂接PCI設備和PCI橋片，PCI總線上隻允許有一個PCI主設備，其他的均為PCI從設備，而且讀寫操作隻能在主從設備之間進行，從設備之間的數據交換需要通過主設備中轉。PCI總線結構如下圖所示。
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。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。
PCI總線取代了早先的ISA總線。當然與在PCI總線後面出現專門用于顯卡的AGP總線，與現在的PCI Express總線相比，功能沒有那麼強大，但是PCI能從1992用到現在，說明他有許多優點，比如即插即用(Plug and Play）、中斷共享等。在這裡我們對PCI總線做一個深入的介紹。
從數據寬度上看，PCI總線有32bit、64bit之分；從總線速度上分，有33MHz、66MHz兩種。目前流行的是32bit@33MHz，而64bit系統正在普及中。改良的PCI系統，PCI-X，最高可以達到64bit@133MHz，這樣就可以得到超過1GB/s的數據傳輸速率。如果沒有特殊說明，以下的讨論以32bit@33MHz為例。
不同于ISA總線，PCI總線的地址總線與數據總線是分時複用的。這樣做的好處是，一方面可以節省接插件的管腳數，另一方面便于實現突發數據傳輸。在做數據傳輸時，由一個PCI設備做發起者（主控，Initiator或Master），而另一個PCI設備做目标（從設備，Target或Slave）。總線上的所有時序的産生與控制，都由Master來發起。PCI總線在同一時刻隻能供一對設備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機構（Arbiter），來決定在誰有權力拿到總線的主控權。
當PCI總線進行操作時，發起者（Master）先置REQ#，當得到仲裁器（Arbiter）的許可時（GNT#），會将FRAME#置低，并在AD總線上放置Slave地址，同時C/BE#放置命令信号，說明接下來的傳輸類型。所有PCI總線上設備都需對此地址譯碼，被選中的設備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然後當IRDY#與TRDY#都置低時，可以傳輸數據。當Master數據傳輸結束前，将FRAME#置高以标明隻剩最後一組數據要傳輸，并在傳完數據後放開IRDY#以釋放總線控制權。
這裡我們可以看出，PCI總線的傳輸是很高效的，發出一組地址後，理想狀态下可以連續發數據，峰值速率為132MB/s。實際上，目前流行的33M@32bit北橋芯片一般可以做到100MB/s的連續傳輸。
PCI總線特點
(1)傳輸速率高最大數據傳輸率為132MB/s，當數據寬度升級到64位，數據傳輸率可達264MB/s。這是其他總線難以比拟的。它大大緩解了數據I/O瓶頸，使高性能CPU的功能得以充分發揮，适應高速設備數據傳輸的需要。
(2)多總線共存采用PCI總線可在一個系統中讓多種總線共存，容納不同速度的設備一起工作。通過HOST-PCI橋接組件芯片，使CPU總線和PCI總線橋接；通過PCI-ISA/EISA橋接組件芯片，将PCI總線與ISA/EISA總線橋接，構成一個分層次的多總線系統。高速設備從ISA/EISA總線卸下來，移到PCI總線上，低速設備仍可挂在ISA/EISA總線上，繼承原有資源，擴大了系統的兼容性。
(3)獨立于CPU PCI總線不依附于某一具體處理器，即PCI總線支持多種處理器及将來發展的新處理器，在更改處理器品種時，更換相應的橋接組件即可。
(4)自動識别與配置外設用戶使用方便。
(5)并行操作能力。
PCI總線的主要性能
(1)總線時鐘頻率33.3MHz/66.6MHz。
(2)總線寬度32位/64位。
(3)最大數據傳輸率132MB/s(264MB/s)。
(4)支持64位尋址。
(5)适應5V和3.3V電源環境。
即插即用的實現
所謂即插即用，是指當闆卡插入系統時，系統會自動對闆卡所需資源進行分配，如基地址、中斷号等，并自動尋找相應的驅動程序。而不象舊的ISA闆卡，需要進行複雜的手動配置。
實際的實現遠比說起來要複雜。在PCI闆卡中，有一組寄存器，叫"配置空間"(Configuration Space），用來存放基地址與内存地址，以及中斷等信息。
以内存地址為例。當上電時，闆卡從ROM裡讀取固定的值放到寄存器中，對應内存的地方放置的是需要分配的内存字節數等信息。操作系統要跟據這個信息分配内存，并在分配成功後把相應的寄存器中填入内存的起始地址。這樣就不必手工設置開關來分配内存或基地址了。對于中斷的分配也與此類似。
中斷共享的實現
ISA卡的一個重要局限在于中斷是獨占的，而我們知道計算機的中斷号隻有16個，系統又用掉了一些，這樣當有多塊ISA卡要用中斷時就會有問題了。
PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。
硬件上，采用電平觸發的辦法：中斷信号在系統一側用電阻接高，而要産生中斷的闆卡上利用三極管的集電極将信号拉低。這樣不管有幾塊闆産生中斷，中斷信号都是低；而隻有當所有闆卡的中斷都得到處理後，中斷信号才會恢複高電平。
軟件上，采用中斷鍊的方法：假設系統啟動時，發現闆卡A用了中斷7，就會将中斷7對應的内存區指向A卡對應的中斷服務程序入口ISR_A；然後系統發現闆卡B也用中斷7，這時就會将中斷7對應的内存區指向ISR_B，同時将ISR_B的結束指向ISR_A。以此類推，就會形成一個中斷鍊。而當有中斷發生時，系統跳轉到中斷7對應的内存，也就是ISR_B。ISR_B就要檢查是不是B卡的中斷，如果是，要處理，并将闆卡上的拉低電路放開；如果不是，則呼叫ISR_A。這樣就完成了中斷的共享。
通過以上讨論，我們不難看出，PCI總線有着極大的的優勢。而近年來的市場情況也證實了這一點。
總線設備
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從設備隻能被動地接收來自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遊的PCI總線，并轉發上下遊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總線規範将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規範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。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總線規範的精華所在，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，上遊PCI總線和下遊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遊總線轉發到下遊總線，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總線規範定義的标準橋片，但是适用于某些特殊應用。
主要性能
（1）傳輸速率高最大數據傳輸率為132MB/s，當數據寬度升級到64位，數據傳輸率可達264MB/s。這是其他總線難以比拟的。它大大緩解了數據I/O瓶頸，使高性能CPU的功能得以充分發揮，适應高速設備數據傳輸的需要。
(2)多總線共存采用PCI總線可在一個系統中讓多種總線共存，容納不同速度的設備一起工作。通過HOST-PCI橋接組件芯片，使CPU總線和PCI總線橋接；通過PCI-ISA/EISA橋接組件芯片，将PCI總線與ISA/EISA總線橋接，構成一個分層次的多總線系統。高速設備從ISA/EISA總線卸下來，移到PCI總線上，低速設備仍可挂在ISA/EISA總線上，繼承原有資源，擴大了系統的兼容性。
(3)獨立于CPU PCI總線不依附于某一具體處理器，即PCI總線支持多種處理器及将來發展的新處理器，在更改處理器品種時，更換相應的橋接組件即可。
(4)自動識别與配置外設用戶使用方便。
(5)并行操作能力。
PCI（Peripheral Component Interconnect）總線是一種高性能局部總線，是為了滿足外設間以及外設與主機間高速數據傳輸而提出來的。在數字圖形、圖像和語音處理，以及高速實時數據采集與處理等對數據傳輸率要求較高的應用中，采用PCI總線來進行數據傳輸，可以解決原有的标準總線數據傳輸率低帶來的瓶頸問題。
基于PCI總線的高速數據采集模塊，利用計算機作為上層控制中心，将采集到的數據通過PCI總線傳輸至計算機，經過設備驅動程序和儀器驅動程序的層層傳遞與控制傳送到人機交互界面進行分析與顯示，并且能夠以一定的數據格式存儲，使得這些數據能為模塊外其它程序所用。
總線特點
PCI總線是一種同步的獨立于處理器的32位或64位局部總線，最高工作頻率為33MHz，峰值速度在32位時為132MB/s，64位時為264MB/s，總線規範由PCISIG發布。ISA總線相比，PCI總線和有如下顯著的特點：
（1）高速性
PCI局部總線以33MHz的時鐘頻率操作，采用32位數據總線，數據傳輸速率可高達132MB/s，遠超過以往各種總線。而早在1995年6月推出的PCI總線規範2。l已定義了64位、66MHz的PCI總線标準。因此PCI總線完全可為未來的計算機提供更高的數據傳送率。另外，PCI總線的主設備（Master）可與微機内存直接交換數據，而不必經過微機CPU中轉，也提高了數據傳送的效率。
（2）即插即用性
目前随着計算機技術的發展，微機中留給用戶使用的硬件資源越來越少，也越來越含糊不清。在使用ISA闆卡時，有兩個問題需要解決：一是在同一台微機上使用多個不同廠家、不同型号的闆卡時，闆卡之間可能會有硬件資源上的沖突；二是闆卡所占用的硬件資源可能會與系統硬件資源（如聲卡、網卡等）相沖突。而PCI闆卡的硬件資源則是由微機根據其各自的要求統一分配，決不會有任何的沖突問題。因此，作為PCI闆卡的設計者，不必關心微機的哪些資源可用，哪些資源不可用，也不必關心闆卡之間是否會有沖突。因此，即使不
考慮PCI總線的高速性，單憑其即插即用性，就比ISA總線優越了許多。
（3）可靠性
PCI獨立于處理器的結構，形成一種獨特的中間緩沖器設計方式，将中央處理器子系統與外圍設備分開。這樣用戶可以随意增添外圍設備，以擴充電腦系統而不必擔心在不同時鐘頻率下會導緻性能的下降。與原先微機常用的ISA總線相比，PCI總線增加了奇偶校驗錯（PERR）、系統錯（SERR）、從設備結束（STOP）等控制信号及超時處理等可靠性措施，使數據傳輸的可靠性大為增加。
（4）複雜性
PCI總線強大的功能大大增加了硬件設計和軟件開發的實現難度。硬件上要采用大容量、高速度的CPLD或FPGA芯片來實現PCI總線複雜的功能。軟件上則要根據所用的操作系統，用軟件工具編制支持即插即用功能酶設備驅動程序。
（5）自動配置
PCI總線規範規定PCI插卡可以自動配置。PCI定義了3種地址空間：存儲器空間，輸入輸出空間和配置空間，每個PCI設備中都有256字節的配置空間用來存放自動配置信息，當PCI插卡插入系統，BIOS将根據讀到的有關該卡的信息，結合系統的實際情況為插卡分配存儲地址、中斷和某些定時信息。
（6）共享中斷
PCI總線是采用低電平有效方式，多個中斷可以共享一條中斷線，而ISA總線是邊沿觸發方式。
（7）擴展性好
如果需要把許多設備連接到PCI總線上，而總線驅動能力不足時，可以采用多級PCI總線，這些總線上均可以并發工作，每個總線上均可挂接若幹設備。因此PCI總線結構的擴展性是非常好的。由于PCI的設計是要輔助現有的擴展總線标準，因此與ISA，EISA及MCA總線完全兼容。
（8）多路複用
在PCI總線中為了優化設計采用了地址線和數據線共用一組物理線路，即多路複用。PCI接插件尺寸小，又采用了多路複用技術，減少了元件和管腳個數，提高了效率。
（9）嚴格規範
PCI總線對協議、時序、電氣性能、機械性能等指标都有嚴格的規定，保證了PCI的可靠性和兼容性。由于PCI總線規範十分複雜，其接口的實現就有較高的技術難度。
總線信号
PCI總線信号定義示意圖
PCI總線标準所定義的信号線通常分成必需的和可選的兩大類。其信号線總數為120條（包括電源、地、保留引腳等）。其中，必需信号線：主控設備49條，目标設備47條。可選信号線：51條（主要用于64位擴展、中斷請求、高速緩存支持等）。主設備是指取得了總線控制權的設備，而被主設備選中以進行數據交換的設備稱為從設備或目标設備。作為主設備需要49條信号線，若作為目标設備，則需要47條信号線，可選的信号線有51條。利用這些信号線便可以傳輸數據、地址，實現接口控制、仲裁及系統的功能。PCI局部總線信号如下所示。下面按功能分組進行說明：
1）系統信号CLK IN：系統時鐘信号，為所有PCI傳輸提供時序，對于所有的PCI設備都是輸入信号。其頻率最高可達33MHz/66MHz，這一頻率也稱為PCI的工作頻率。RST#IN：複位信号。用來迫使所有PCI專用的寄存器、定序器和信号轉為初始狀态。
2）.地址和數據信号AD[31：：00]T/S：地址、數據複用的信号。PCI總線上地址和數據的傳輸，必需在FRAME#有效期間進行。當FRAME#有效時的第1個時鐘，AD[31：：00]上的信号為地址信号，稱地址期；當IRDY#和TRDY#同時有效時，AD[31：：00]上的信号為數據信号，稱數據期。一個PCI總線傳輸周期包含一個地址期和接着的一個或多個數據期。C/BE[3：：0]#T/S：總線命令和字節允許複用信号。在地址期，這4條線上傳輸的時總線命令；在數據期，它們傳輸的時字節允許信号，用來指定在數據期，AD[31：：00]線上4個數據字節中哪些字節為有效數據，以進行傳輸。PAR T/S：奇偶校驗信号。它通過AD[31：：00]和C/BE[3：：0]進行奇偶校驗。主設備為地址周期和寫數據周期驅動PAR，從設備為讀數據周期驅動PAR。
3）.接口控制信号FRAME#S/T/S：幀周期信号，由主設備驅動。表示一次總線傳輸的開始和持續時間。當FRAME#有效時，預示總線傳輸的開始；在其有效期間，先傳地址，後傳數據；當FRAME#撤消時，預示總線傳輸結束，并在IRDY#有效時進行最後一個數據期的數據傳送。IRDY#S/T/S：主設備準備好信号。IRDY#要與TRDY#聯合使用，當二者同時有效時，數據方能傳輸，否則，即為未準備好二進入等待周期。在寫周期，該信号有效時，表示數據已由主設備提交到AD[31：：00]線上；在讀周期，該信号有效時，表示主設備已做好接收數據的準備。TRDY#S/T/S：從設備（被選中的設備）準備好信号。同樣TRDY#要與IRDY#聯合使用，隻有二者同時有效，數據才能傳輸。STOP#S/T/S：從設備要求主設備停止當前的數據傳送的信号。顯然，該信号應由從設備發出。LOCK#S/T/S：鎖定信号。當對一個設備進行可能需要多個總線傳輸周期才能完成的操作時，使用鎖定信号LOCK#，進行獨占性訪問。例如，某一設備帶有自己的存儲器，那麼它必需能進行鎖定，以便實現對該存儲器的完全獨占性訪問。也就是說，對此設備的操作是排它性的。IDSEL IN：初始化設備選擇信号。在參數配置讀/寫傳輸期間，用作片選信号。DEVSEL#S/T/S：設備選擇信号。該信号由從設備在識别處地址時發出，當它有效時，說明總線上有某處的某一設備已被選中，并作為當前訪問的從設備。
4）.仲裁信号（隻用于總線主控器）REQ#T/S：總線占用請求信号。該信号有效表明驅動它的設備要求使用總線。它是一個點到點的信号線，任何主設備都有它自己的REQ#信号。GNT#T/S：總線占用允許信号。該信号有效，表示申請占用總線的設備的請求已獲得比準。
5）.錯誤報告信号PERR#S/T/S：數據奇偶校驗錯誤報告信号。一個設備隻有在響應設備選擇信号（DEVSEL#）和完成數據期之後，才能報告一個PERR#。SERR#O/D：系統錯誤報告信号。用做報告地址奇偶錯、特殊命令序列中的數據奇偶錯，以及其他可能引起災難性後果的系統錯誤。它可由任何設備發出。
6）.中斷信号在PCI總線中，中斷是可選項，不一定必須具有。INTA#O/D：用于請求中斷。INTB#O/D、INTC#O/D、INTD#O/D：用于請求中斷，僅對多功能設備有意義。所謂的多功能設備是指：将幾個相互獨立的功能集中在一個設備中。各功能與中斷線之間的連接是任意的，沒有任何附加限制。
7.）其他可選信号（1）高速緩存支持信号：SBO#IN/OUT、SDONE IN/OUT（2）64位總線擴展信号：REQ64#S/T/S、ACK65#S/T/S、AD[63：：32]T/S、C/BE[7：：4]#T/S、PAR64T/S。（3）測試訪問端口/邊界掃描信号：TCK IN、TDI IN、TDO OUT、TMS IN、TRST#IN。
