PCIe体系结构解析:从PCI到PCI Express的发展

需积分: 10 20 下载量 4 浏览量 更新于2024-07-17 收藏 3.78MB PDF 举报
“经典之作_浅谈PCI_Express体系结构.pdf”是一份关于PCI和PCI Express技术的详细教程,内容涵盖PCI Express体系结构的基础知识和历史背景。 本文将深入探讨PCI Express(PCIe)体系结构,它是现代计算机系统中广泛使用的高速接口标准。PCIe是由PCI发展而来,旨在提供比传统PCI更高的数据传输速率和更低的延迟,以适应不断增长的处理器性能需求。 首先,PCI(Peripheral Component Interconnect)总线自1990年代初推出以来,就成为了个人计算机(PC)内部扩展设备连接的标准。它作为一种局部总线,是系统总线的扩展,用于连接诸如显卡、声卡等外部设备。随着处理器速度的提升,对总线速度和带宽的需求也相应增加。PCI总线的出现迅速替代了ISA、EISA、VESA和MCA等旧有的总线标准,因为它提供了更高的性能和更好的兼容性。 PCI总线规范经历了多个版本的演进,从最初的16位、32位,再到64位,带宽逐渐增大。然而,随着时间推移,PCIe(PCI Express)作为其下一代标准,应运而生。PCIe采用了串行传输方式,与传统的并行PCI总线相比,能提供更高的数据传输速率,同时降低了信号干扰问题。PCIe接口采用点对点连接,每个设备都有独立的通道,从而实现更高的带宽利用率。 在软件层面,PCIe与PCI保持兼容,这意味着系统可以继续使用现有的PCI驱动程序来管理PCIe设备。而在硬件层面,尽管PCIe在设计上做了很多改进,如采用更复杂的交换结构和更高效的错误处理机制,但它依然保留了PCI的一些核心设计理念,如配置空间和中断处理机制,使得迁移成本降低,系统设计更为简便。 PCI总线V1.0规范最初只适用于单个PCB(Printed Circuit Board)上的设备连接,但随着技术的发展,PCIe已经发展出多种速度等级(例如PCIe x1、x2、x4、x8、x16等),支持多路复用,满足了从低速I/O设备到高性能显卡和网络适配器等多种设备的需求。 了解PCI和PCIe总线对于硬件和软件工程师来说至关重要,因为它们构成了现代计算机系统中的关键部分。无论是设计新的系统,还是优化现有设备的性能,都需要对这些接口标准有深入的理解。通过这份资料,读者可以全面掌握PCI和PCIe的历史、工作原理以及它们在当前计算机架构中的作用。
2013-09-26 上传
浅谈PCIe体系结构 浅谈PCIe体系结构 - 1 - 目录 - 1 - 第I篇PCI体系结构概述 - 1 - 第1章PCI总线的基本知识 - 3 - 1.1 PCI总线的组成结构 - 6 - 1.1.1 HOST主桥 - 6 - 1.1.2 PCI总线 - 7 - 1.1.3 PCI设备 - 7 - 1.1.4 HOST处理器 - 8 - 1.1.5 PCI总线的负载 - 9 - 1.2 PCI总线的信号定义 - 10 - 1.2.1 地址和数据信号 - 10 - 1.2.2 接口控制信号 - 11 - 1.2.3 仲裁信号 - 13 - 1.2.4 中断请求等其他信号 - 14 - 1.3 PCI总线的存储器读写总线事务 - 15 - 1.3.1 PCI总线事务的时序 - 15 - 1.3.2 Posted和Non-Posted传送方式 - 16 - 1.3.3 HOST处理器访问PCI设备 - 17 - 1.3.4 PCI设备读写主存储器 - 19 - 1.3.5 Delayed传送方式 - 21 - 1.4 PCI总线的中断机制 - 23 - 1.4.1 中断信号与中断控制器的连接关系 - 23 - 1.4.2 中断信号与PCI总线的连接关系 - 24 - 1.4.3 中断请求的同步 - 25 - 1.5 PCI-X总线简介 - 28 - 1.5.1 Split总线事务 - 28 - 1.5.2 总线传送协议 - 28 - 1.5.3 基于数据块的突发传送 - 29 - 1.6 小结 - 29 - 第2章PCI总线的桥与配置 - 30 - 2.1 存储器域与PCI总线域 - 30 - 2.1.1 CPU域、DRAM域与存储器域 - 31 - 2.1.2 PCI总线域 - 32 - 2.1.3 处理器域 - 32 - 2.2 HOST主桥 - 34 - 2.2.1 PCI设备配置空间的访问机制 - 35 - 2.2.2 存储器域地址空间到PCI总线域地址空间的转换 - 37 - 2.2.3 PCI总线域地址空间到存储器域地址空间的转换 - 39 - 2.2.4 x86处理器的HOST主桥 - 42 - 2.3 PCI桥与PCI设备的配置空间 - 45 - 2.3.1 PCI桥 - 45 - 2.3.2 PCI Agent设备的配置空间 - 47 - 2.3.3 PCI桥的配置空间 - 50 - 2.4 PCI总线的配置 - 54 - 2.4.1 Type 01h和Type 00h配置请求 - 54 - 2.4.2 PCI总线配置请求的转换原则 - 56 - 2.4.3 PCI总线树Bus号的初始化 - 58 - 2.4.4 PCI总线Device号的分配 - 60 - 2.5 非透明PCI桥 - 62 - 2.5.1 Intel 21555中的配置寄存器 - 63 - 2.5.2 通过非透明桥片进行数据传递 - 65 - 2.6 小结 - 67 - 第3章PCI总线的数据交换 - 68 - 3.1 PCI设备BAR空间的初始化 - 68 - 3.1.1 存储器地址与PCI总线地址的转换 - 68 - 3.1.2 PCI设备BAR寄存器和PCI桥Base、Limit寄存器的初始化 - 70 - 3.2 PCI设备的数据传递 - 72 - 3.2.1 PCI设备的正向译码与负向译码 - 72 - 3.3.2 处理器到PCI设备的数据传送 - 74 - 3.2.3 PCI设备的DMA操作 - 74 - 3.2.4 PCI桥的Combining、Merging和Collapsing - 75 - 3.3 与Cache相关的PCI总线事务 - 77 - 3.3.1 Cache一致性的基本概念 - 77 - 3.3.2 PCI设备对不可Cache的存储器空间进行DMA读写 - 82 - 3.3.3 PCI设备对可Cache的存储器空间进行DMA读写 - 83 - 3.3.4 PCI设备进行DMA写时发生Cache命中 - 85 - 3.3.5 DMA写时发生Cache命中的优化 - 87 - 3.4 预读机制 - 89 - 3.4.1 Instruction Fetch - 89 - 3.4.2 数据预读 - 92 - 3.4.3 软件预读 - 94 - 3.4.4 硬件预读 - 96 - 3.4.5 PCI总线的预读机制 - 97 - 3.5 小结 - 101 - 第II篇PCI Express体系结构概述 - 102 - 第4章PCIe总线概述 - 104 - 4.1 PCIe总线的基础知识 - 104 - 4.1.1 端到端的数据传递 - 104 - 4.1.2 PCIe总线使用的信号 - 106 - 4.1.3 PCIe总线的层次结构 - 109 - 4.1.4 PCIe链路的扩展 - 111 - 4.2 PCIe体系结构的组成部件 - 114 - 4.2.1 基于PCIe架构的处理器系统 - 114 - 4.2.2 RC的组成结构 - 117 - 4.2.3 Switch - 118 - 4.2.4 VC和端口仲裁 - 120 - 4.2.5 PCIe-to-PCI/PCI-X桥片 - 122 - 4.3 PCIe设备的扩展配置空间 - 124 - 4.4 小结 - 125 - 第5章PCIe总线的事务层 - 126 - 5.1 TLP的格式 - 126 - 5.1.1 通用TLP头的Fmt字段和Type字段 - 127 - 5.1.2 TC字段 - 129 - 5.1.3 Attr字段 - 130 - 5.1.4 通用TLP头中的其他字段 - 131 - 5.2 TLP的路由 - 133 - 5.2.1 基于地址的路由 - 133 - 5.2.2 基于ID的路由 - 135 - 5.2.3 隐式路由 - 138 - 5.3 存储器、I/O和配置读写请求TLP - 139 - 5.3.1 存储器读写请求TLP - 139 - 5.3.2 完成报文 - 144 - 5.3.3 配置读写请求TLP - 146 - 5.3.4 消息请求报文 - 147 - 5.4 TLP中与数据负载相关的参数 - 148 - 5.4.1 Max_Payload_Size参数 - 148 - 5.4.2 Max_Read_Request_Size参数 - 149 - 5.4.3 RCB参数 - 149 - 5.5 小结 - 150 - 第6章 MSI和MSI-X中断机制 - 151 - 6.1 MSI/MSI-X Capability结构 - 152 - 6.1.1 MSI Capability结构 - 152 - 6.1.2 MSI-X Capability结构 - 154 - 6.2 PowerPC处理器如何处理MSI中断请求 - 158 - 6.2.1 MSI中断机制使用的寄存器 - 159 - 6.2.2 系统软件如何初始化PCIe设备的MSI Capability结构 - 162 - 6.3 x86处理器如何处理MSI-X中断请求 - 165 - 6.3.1 Message Address字段和Message Data字段的格式 - 165 - 6.3.2 FSB Interrupt Message总线事务 - 168 - 6.4 小结 - 169 - 结束语 - 170 -