Работа шины pci: стандарты подключения периферийных компонентов, пассивное и активное устройства шины pci
Назначение шины простое – она позволяет соединять компоненты компьютера с центральным процессором. Среди компонентов, которые необходимо подключить, могут быть жесткие диски, устройства памяти, акустические системы, видеосистемы и другие устройства.
Преимущество шины в том, что она способствует взаимозаменяемости частей компьютера. Если у пользователя возникает желание использовать лучшую видеокарту, нужно просто извлечь старую видеокарту и заменить ее новой. Если нужно использовать в компьютере два монитора, к шине подключается две видеокарты. И так далее.
В типичном современном ПК имеется две главные шины:
Первая, которую называют системной или локальной шиной, соединяет микропроцессор (центральный процессор) с оперативной (системной) памятью. Эта шина самая быстрая в системе.
Вторая шина более медленная и предназначена для обмена данными с такими устройствами, как жесткие диски и звуковые карты. Одна довольно распространенная шина такого типа – шина PCI. Такие более медленные шины подключаются к системной шине с использованием так называемого моста, являющегося частью набора микросхем компьютера и выполняющего функции уличного регулировщика, который управляет вводом данных, поступающих по другим шинам, в системную шину.
PCI (англ. Peripheralcomponentinterconnect, дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) — системная шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.
Стандарт на шину PCI определяет:
физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);
электрические параметры (например, напряжения);
логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине);
Развитием стандарта PCI занимается организация PCI SpecialInterestGroup.
Спецификация шины PCI
частота шины — 33,33 МГц или 66,66 МГц, передача синхронная;
разрядность шины — 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);
пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте 33,33 МГц — 133 МБ в секунду;
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 вольт.
PCI 2.0
Первая версия базового стандарта, получившая широкое распространение, использовались как карты, так и слоты с сигнальным напряжением только 5 вольт. Пиковая пропускная способность — 133 Мбайт/с;
PCI 2.1 — 3.0
Отличались от версии 2.0 возможностью одновременной работы нескольких шинных задатчиков (англ. bus-master т. н. конкурентный режим), а также появлением универсальных карт расширения, способных работать как в слотах использующих напряжение 5 вольт, так и в слотах использующих 3,3 вольта (с частотой 33 и 66 МГц соответственно). Пиковая пропускная способность для 33 МГц — 133 Мбайт/с, а для 66 МГц — 266 Мбайт/с;
PCI 64
Расширение базового стандарта PCI, появившееся в версии 2.1, удваивающее число линий данных, и, следовательно, пропускную способность. Слот PCI64 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;
Версия 1 — использует слот PCI 64-бита и напряжение 5 вольт;
Версия 2 — использует слот PCI 64-бита и напряжение 3,3 вольта;
PCI 66
Версия PCI 66 является работающим на тактовой частоте 66 МГц развитием PCI 64; использует напряжение 3,3 вольта в слоте; карты имеют универсальный, либо 3,3 В форм-фактор. Пиковая пропускная способность — 533 Мбайт/с;
PCI 64/66
Комбинация PCI 64 и PCI 66, позволяет вчетверо увеличить скорость передачи данных по сравнению с базовым стандартом PCI; использует 64-битные 3,3 вольтовые слоты, совместимые только с универсальными и 3,3 вольтовые 32-битные карты расширения. Карты стандарта PCI64/66 имеют либо универсальный (но имеющий ограниченную совместимость с 32-битными слотами) либо 3,3 вольтовый форм-фактор (последний вариант принципиально не совместим с 32-битными 33 МГц слотами популярных стандартов). Пиковая пропускная способность — 533 Мбайт/с;
PCI-X
Развитие версии PCI 64. Для всех вариантов шины существуют следующие ограничения по количеству подключаемых к каждой шине устройств: 66 МГц — 4, 100 МГц — 2, 133 МГц — 1 (или 2, если одно или оба устройства не находятся на платах расширения, а уже интегрированы на одну плату вместе с контроллером), 266, 533 МГц и выше — 1;
Разработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект корпорации Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). Особенно подчеркивалось, что разработка проводилась "с нуля", а не была попыткой установки новых "заплат" на существующие решения. В результате шина PCI появилась в июне 1992 года (R1.0). Разработчики Intel отказались от использования шины процессора и ввели еще одну "антресольную" (mezzanine) шину.
Благодаря такому решению шина получилась, во-первых, процессоро-независимой (в отличие от VLbus), а во-вторых, могла работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Например, процессор работает себе с кэшем или системной памятью, а в это время по сети на винчестер пишется информация. Просто здорово! На самом деле идиллии, конечно, не получается, но загрузка шины процессора снижается здорово. Кроме того, стандарт шины был объявлен открытым и передан PCI SpecialInterestGroup, которая продолжила работу по совершенствованию шины (в настоящее время доступен R2.1), и в этом, пожалуй, вторая половина ответа на вопрос "почему PCI?"
Основные возможности шины следующие.
Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными (правда, насколько мне известно, 64-разрядная шина в настоящее время используется только в Alpha-системах и серверах на базе процессоров IntelXeon, но, в принципе, за ней будущее). При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.
Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей
Существуют и универсальные платы, поддерживающие оба напряжения. Заметим, что частота 66MHz поддерживается только 3.3V логикой.
Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):
132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;
264 MB/сек при 32-bit/66MHz;
264 MB/сек при 64-bit/33MHz;
528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.
При этом для работы шины на частоте 66MHz необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте.
Полная поддержка multiplybusmaster (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).
Поддержка write-back и write-through кэша.
Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.
Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео + звук и т.д.).
Шина позволяет устанавливать до 4 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.
PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течении которого устройство может занимать шину.
При разработке шины в ее архитектуру были заложены передовые технические решения, позволяющие повысить пропускную способность.
Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linearburst" (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) "одним куском", то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.
Шина PCI является той черепахой, на которой стоят слоны, поддерживающие "Землю" - архитектуру Microsoft/IntelPlugandPlay (PnP) PC architecture. Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода, как их называет компания Microsoft) и configurationspace - "конфигурационное пространство".
Конфигурационное пространство состоит из трех регионов:
заголовка, независимого от устройства (device-independentheaderregion);
региона, определяемого типом устройства (header-typeregion);
региона, определяемого пользователем (user-definedregion).
В заголовке содержится информация о производителе и типе устройства - поле ClassCode (сетевой адаптер, контроллер диска, мультимедиа и т.д.) и прочая служебная информация.
Следующий регион содержит регистры диапазонов памяти и ввода/вывода, которые позволяют динамически выделять устройству область системной памяти и адресного пространства. В зависимости от реализации системы конфигурация устройств производится либо BIOS (при выполнении POST - power-onselftest), либо программно. Базовый регистр expansion ROM аналогично позволяет отображать ROM устройства в системную память. Поле CIS (Card Information Structure) pointer используетсякартамиcardbus (PCMCIA R3.0). С Subsystemvendor/Subsystem ID все понятно, а последние 4 байта региона используются для определения прерывания и времени запроса/владения.
Конфигурирование
PCI-устройства с точки зрения пользователя самонастраиваемым (plugandplay). После старта компьютера, системное программное обеспечение обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине и распределяет ресурсы. Каждое устройство может затребовать до семи диапазонов в адресном прострастве памяти PCI или в адресном пространстве ввода-вывода PCI. Кроме того, устройства могут иметь ПЗУ, содержащее исполняемый код для процессоров x86 или PA-RISC, OpenFirmware (системное ПОкомпьютеров на базе SPARC) или драйвер EFI.
Настройка прерываний осуществляется также системным программным обеспечением (в отличии от шины ISA, где настройка прерываний осуществлялась переключателями на карте). Запрос на прерывание на шине PCI передаётся с помощью изменения уровня сигнала на одной из линий IRQ, поэтому имеется возможность работы нескольких устройств с одной линией запроса прерывания; обычно системное ПО пытается выделить каждому устройству отдельное прерывание для увеличения производительности.