Шина PCI; спецификация шины

ШИНА PCI PCI (Peripheral Component Interconnect bus) – шина для присоединения периферийных устройств. Весна 1991 г. – первая макетная версия шины PCI компании Intel как недорогое и производительное решение, расширяющее возможности процессоров 486, Pentium и Pentium Pro. 1992 г. – первая версия шины PCI. Intel объявляет об открытости стандарта и создаёт PCI Special Interest Group (любой заинтересованный разработчик получает возможность создавать устройства для шины PCI без необходимости приобретения лицензии). 1993 г. – Intel начинает продвижение шины PCI на рынке. 1995 г. – версия PCI 2.1 Шина уже поддерживается ОС Windows 95 (технология Plug and Play). 1997 г. – шина PCI перестала удовлетворять повышенным требованиям к видеокартам и перестала использоваться для установки видеокарт. 2000 — 2010 гг. интерфейс PCI постепенно вытесняется интерфейсами PCI Express (PCI-X) и USB. На материнских платах уменьшалось количество разъемов PCI до 1-2, на некоторых PCI не устанавливается. ШИНА PCI • Шины PCI и PCI-X – средства расширения ввода/вывода (Expansion Bus), дополняемые портом AGP для подключения видеоадаптеров. • Шины позволяют адаптерам и контроллерам периферийных устройств непосредственно использовать системные ресурсы компьютера — пространство адресов памяти и ввода/вывода, прерывания, DMA. • Шины механически реализуются в виде слотов (щелевых разъемов) или штырьковых разъемов. • Они имеют малую длину проводников, что позволяет достигать высоких скоростей работы. Эти шины могут и не выводиться на разъемы, но использоваться для подключения устройств в интегрированных системных платах. • Первоначально шина PCI вводилась как пристройка (mezzanine bus) к системам с шиной ISA (Industry Standard Architecture). • Шина PCI – первая шина в архитектуре IBM PC, которая не привязана к этой архитектуре. Она является процессоронезависимой. ШИНА PCI Industry Standard Architecture 5 разъёмов 16-битной и шины ISA 1 разъём 8-битной шины ISA Mezzanine bus шины PCI для шины ISA Разъем 32-разрядной PCI ШИНА PCI Разъём 64-разрядной шины PCI Коричневый разъём – AGP ШИНА PCI В мае 1999 года появилась спецификация PCI 2.2 и фирма Intel выпустила первый chipset с поддержкой версии 2.2 – i810. В соответствии с новой спецификацией появились следующие новые возможности: - 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; - 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. Для практического использования новых возможностей PCI расширения стандарта должны быть поддержаны как контроллером шины PCI так и самим PCI-устройством. ШИНА PCI Спецификация шины PCI • используется мультиплексированная шина адреса/данных (AD); • шина синхронная — фиксация всех сигналов выполняется положительным фронтом сигнала CLK; • частота шины — 33,33 или 66,66 МГц, передача синхронная (в PCI-X частота может достигать 133 МГц); • разрядность шины — 32 или 64 бита (PCI-X версии 2.0 определена разрядность16 бит); • пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте синхронизации 33,33 МГц — 133 Мбайт/с (264 Мбайт/с для 64 бит); • при частоте синхронизации 66 МГц — 264 Мбайт/с и 528 Мбайт/с соответственно (реальная средняя пропускная способность шины оказывается ниже); • адресное пространство памяти — 32 бита (4 байта); • адресное пространство портов ввода-вывода — 32 бита (4 байта); • конфигурационное адресное пространство (для одной функции) — 256 байт; • напряжение — 3,3 или 5 В. Стандартные модификации шины PCI ШИНА PCI • PCI 2.1 — работа с картами, рассчитанными на напряжение 3,3 в. • PCI 2.2 —карты расширения имеют универсальный ключ разъёма по питанию и способны работать во многих более поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в слотах версии 2.1. • PCI 2.3 — несовместима с картами, рассчитанными на использование 5 в. • PCI 3.0 — завершает переход на карты PCI 3,3 в, карты PCI 5 в не поддерживаются. • PCI 64 – расширение базового стандарта PCI, появившееся в версии 2.1, удваивающее число линий данных, и, следовательно, пропускную способность. Слот PCI 64 является удлинённой версией обычного PCI-слота. Формально совместимость 32-битных карт с 64-битным слотами (при условии наличия общего поддерживаемого сигнального напряжения) полная, а совместимость 64-битной карты с 32-битным слотами является ограниченной (в любом случае произойдёт потеря производительности). Работает на тактовой частоте 33 МГц. Пиковая пропускная способность — 266 Мбайт/с. • PCI 66 – является работающим на тактовой частоте 66 МГц развитием PCI 64; использует напряжение 3,3 в. Пиковая пропускная способность — 533 Мбайт/с. ШИНА PCI • PCI 64/66 – Комбинация PCI 64 и PCI 66 позволяет вчетверо увеличить скорость передачи данных по сравнению с базовым стандартом PCI; использует 64-битные слоты (3,3 в), совместимые только с универсальными, и 32-битные карты расширения. Карты стандарта PCI64/66 имеют либо универсальный (ограниченная совместимость с 32-битными слотами), либо форм-фактор, принципиально не совместимый с 32-битными слотами 33 МГц. Пиковая пропускная способность — 533 Мбайт/с. • PCI-X (PCI Extended) – развитие версии PCI 64. Для всех вариантов шины существуют ограничения по количеству подключаемых к каждой шине устройств: 66 МГц — 4 шт., 100 МГц — 2 шт., 133 МГц — 1 шт., 266, 533 МГц и выше — 1 шт. Пиковая пропускная способность — 4096 Мбайт/с. • Mini PCI – используется, в основном, в ноутбуках. • CardBus (PCMCIA) — форм-фактор для 32-битных карт, 33 МГц PCI. • CompactPCI – используются модули размера Eurocard, включаемые в PCI backplane. • PC/104-Plus – индустриальная шина, использующая набор сигналов PCI (другой разъём). • StackPC – индустриальная шина, использующая набор сигналов PCI. • AdvancedTCA (ATCA) – шина следующего поколения для телекоммуникационной индустрии на основе интерфейса PCI Express. Конфигурирование ШИНА PCI Устройства, подключаемые к шине PCI являются самонастраиваемыми (технология Plug and Play). Автоконфигурирование устройств (выбор запросов прерывания, каналов DMA) поддерживается средствами BIOS материнской платы по образу стандарта Plug and Play. После старта компьютера СПО обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине, и распределяет ресурсы. Каждое устройство может затребовать до шести диапазонов в адресном пространстве памяти PCI или в адресном пространстве ввода-вывода PCI. Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) может быть подключен к нескольким каналам PCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных между независимыми каналами PCI (возможно только в спецификации 2.1). На шине PCI определены два основных вида устройств: - инициатор (по ГОСТ – задатчик), т.е. устройство, получившее от арбитра шины разрешение на захват ее; - устройство назначения (цель, target) с которым инициатор выполняет цикл обмена. ШИНА PCI Сигналы шины PCI Знак «-» 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} –C/ BE {3:0} –FRAME –DEVSEL –IRDY –TRDY –STOP Мультиплексированная шина адреса/данных. Адрес передается по сигналу – FRAME, в последующих тактах передаются данные 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 Индикатор фазы адреса (иначе - передача данных) Выбор инициатором устройства назначения Готовность инициатора к обмену данными Готовность устройства назначения к обмену данными Запрос устройства назначения к инициатору на останов текущей транзакции ШИНА PCI –LOCK Используется для установки, обслуживания и освобождения захвата ресурса на PCI –REQ {3:0} –GNT {3 0} PAR –ParityER Запрос от PCI-устройства на захват шины (для слотов 3:0) Разрешение мастеру на использование шины Общий бит четности для линий AD{31:0} и C/BE{3:0} Сигнал об ошибке по четности (от устройства, ее обнаружившего) –RST IDSEL Сброс всех устройств Выбор устройства назначения в циклах считывания и записи конфигурации –SERR Системная ошибка, активизируется любым устройством PCI и вызывает немаскируемое прерывание процессора (NMI) –REQ64 –ASK64 –INTR A, B, C, D Запрос на 64-битный обмен Подтверждение 64-битного обмена 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, Сигналы для тестирования адаптеров по интерфейсу JTAG TestDO, TestDI TSTMSLCT Перевод в режим тестирования ШИНА PCI Разъем шины PCI Ряд В -12 В Test Clock GND Test DO +5 B +5 B -INTR B -INTR D -PRSNT 1 Reserved -PRSNT 2 GND / Ключ GND / Ключ Reserved GND Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12* 13* 14 15 Ряд А -TSTRES + 12 B TSTMSLCT Test DO +5 B -INTR A -INTR C +5 B Reserved +VI / O Reserved GND /Ключ GND /Ключ Reserved -RST Ряд В -C / BE 3 AD 23 GND AD 21 AD 19 +3,3 B AD 17 -C / BE 2 GND -IRDY +3,3 B -DEVSEL GND -Lock ParityER Номер 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Ряд А IDSEL +3,3 B AD 22 AD 20 GND AD 18 AD 16 +3,3 B -FRAME GND -TRDY GND -STOP +3,3 B SDONE ШИНА PCI Разъем шины PCI GND Clock GND -REQ +V I/O AD 31 AD 29 GND AD 27 AD 25 +3,3 B GND /Ключ AD 8 AD 7 +3,3 B AD 5 AD 3 GND AD 1 15 16 17 18 19 20 21 2 23 24 25 51** 52 53 54 55 56 57 58 -RST +VI / O -GNT GND Reserved AD 30 +3,3 B AD 28 AD 26 GND AD 24 GND / Ключ -C / BE 0 +3,3 B AD 6 AD 4 GND AD 2 AD 0 ParityER +3,3 B SysERR +3,3 B -C / BE 1 AD 14 GND AD 12 AD 10 GND GND / Ключ GND AD 55 AD 53 GND AD 51 AD 49 +VI / O AD 47 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50** 73 74 75 76 77 78 79 80 SDONE -SBOFF GND PAR AD 15 +3,3 B AD 13 AD 11 GND AD 9 GND / Ключ AD 56 AD 54 +VI / O AD 52 AD 50 GND AD 48 AD 46 ШИНА PCI Разъем шины PCI + VI / O 59 +VI / O -ACK 64 60 -REQ64 +5 B 61 +5B +5 B 62 +5B Конец 32-битного разъема Reserved GND -C / BE -C / BE GND AD 63 AD 61 +VI / O AD 59 AD 57 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 *12, 13 – ключ для 3,3V **50,51 – ключ для 5V GND -C / BE 7 - C / BE 5 + VI / O PAR 64 AD 62 GND AD 60 AD 58 GND AD 45 81 GND GND 82 AD 44 AD 43 83 AD 42 AD 41 84 +VI / O GND 85 AD 40 AD 39 86 AD 38 AD 37 87 GND +VI / O 88 AD 36 AD 35 89 AD 34 AD 33 90 GND GND 91 AD 32 Reserved 92 Reserved Reserved 93 GND GND 94 Reserved Конец 64-битного разъема ШИНА PCI Команды шины PCI Команды PCI определяют направление и тип транзакций, а также адресное пространство, к которому они относятся. Набор команд шины PCI включает следующие: I/O Read, I/O Write — команды чтения и записи ввода/вывода, служат для обращения к пространству портов; Memory Read, Memory Write — команды чтения и записи памяти, служат для выполнения коротких (как правило, непакетных) транзакций. Их прямое назначение — обращение к отображенным на память устройствам ввода/вывода. Для «настоящей» памяти, допускающей предвыборки, предназначены команды чтения строк, множественного чтения и записи с инвалидацией; Memory-Read Line — чтение строки памяти, применяется, когда в транзакции планируется чтение до конца строки кэша. Выделение данного типа чтения позволяет повысить производительность обмена с памятью; Multiple Memory Read — множественное чтение памяти, используется для транзакций, затрагивающих более одной строки кэш-памяти. Использование данного типа транзакций позволяет контроллеру памяти выполнять упреждающую выборку строк, что дает дополнительный выигрыш производительности; ШИНА PCI Команды шины PCI Memory Write and Invalidate (MVI) — запись с инвалидацией, применяется к целым строкам кэшпамяти. Все байты во всех фазах должны быть разрешены. Команда инициирует контроллером очистку «грязных» строк кэш-памяти, соответствующих записываемой области, без их выгрузки в ОЗУ, что экономит время. Инициатор, вводящий эту команду, должен знать размер строки кэша в данной системе (для этого у него есть специальный регистр в конфигурационном пространстве); Dual Address Cycle (DAC) — двухадресный цикл, позволяет по 32-битной шине обращаться к устройствам с 64-битной адресацией. В этом случае младшие 32 бита адреса передаются одновременно с данной командой, а далее следует обычный цикл, определяющий команду обмена и несущий старшие 32 бита адреса. Шина PCI допускает 64-битную адресацию как памяти, так и портов ввода/вывода; Configuration Read, Configuration Write — команды конфигурационного чтения и записи, адресуются к конфигурационному пространству устройств. Обращение производится только выровненными двойными словами, биты AD[1:0] используются для идентификации типа цикла (см. ниже). Для генерации данных команд требуется специальный аппаратно-программный механизм; Special Cycle — специальный цикл, отличается от всех других тем, что является широковещательным. Однако ни один агент на него не отвечает, а главный мост или иное устройство, вводящее этот цикл, всегда завершает его способом; ШИНА PCI Команды шины PCI Master Abort (на него требуется 6 тактов шины). Специальный цикл предназначен для генерации широковещательных сообщений, которые могут читать любые «заинтересованные» агенты шины. Тип сообщения декодируется содержимым линий AD[15:0]; на линиях AD[31:16] могут помещаться данные, передаваемые в сообщении. Фаза адреса в этом цикле обычными устройствами игнорируется, но мосты используют ее информацию для управления распространением сообщения. Сообщения с кодами 0000h, 0001h и 0002h требуются для указания на отключение (сообщение Shutdown), остановку (сообщение Halt) процессора или специфические функции процессора x86, связанные с кэшем и трассировкой. Коды 0003h– FFFFh зарезервированы. Специальный цикл может генерироваться тем же аппаратно-программным механизмом, что и конфигурационные циклы, но со специфическим значением адреса; Interrupt Acknowledge (INTA) — команда подтверждения прерывания, предназначена для чтения вектора прерываний. По протоколу она выглядит как команда чтения, неявно адресованная к системному контроллеру прерываний. Здесь в фазе адреса по шине AD полезная информация не передается (BE[3:0]# задают размер вектора), но ее инициатор (главный мост) должен обеспечить стабильность сигналов и корректность бита четности. В x86-архитектуре 8-битный вектор передается в байте 0 по готовности контроллера прерываний (по сигналу TRDY#). Подтверждение прерываний выполняется за один цикл (первый холостой цикл, который процессоры x86 делают в дань совместимости со стариной, мостом подавляется). ШИНА PCI Циклы шины PCI По сигналам C/BE (от C/BE3 до C/BE0) во время фазы передачи адреса определяется тип цикла передачи данных. C/BE 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Команда Interrupt Acknowledge (подтверждение прерывания) Special Cycle (специальный цикл) I/O Read (чтение порта) I/O Write (запись в порт) reserved (резервировано) reserved (резервировано) Memory Read (чтение памяти) Memory Write (запись в память) reserved (резервировано) reserved (резервировано) Configuration Read (чтение конфигурации) Configuration Write (запись конфигурации) Multiple Memory Read (множественное чтение памяти) Dual Address Cycle (двойной цикл адреса) Memory-Read Line (чтение памяти) Memory Write and Invalidate (запись в память и проверка)