南京i h 6 i u 人學鋇i i j 究生學位論文 論文摘要 論文摘要 i 0 系統的性能決定著服務器，工作站等網絡中心設備的整體表現。而p c 服務器和傳 統的工作站的i o 體系源于單用戶的p c 臺式機，而不是為處理大吞吐量任務的專用服務 器而設計的，一旦成為網絡中心設備后，數據傳輸量大大增加，因而i 0 數據傳輸經常會 成為整個系統的瓶頸。智能輸入輸出技術( i n t e l l i g e n ti 0 ，簡稱1 2 0 ) 即是為了解決這一 問題而提出的一種可靠、廉價的解決方案。1 2 0 智能輸入輸出技術把任務分配給智能i 0 系統，在這些子系統中，專用的i o 處理器將負責中斷處理、緩沖存取以及數據傳輸等煩 瑣任務，這樣系統的吞吐能力就得到了提高，服務器的主處理器也能被解放出來去處理更 為重要的任務。因此，依據1 2 0 技術規(guī)范實現的p c 服務器在硬件規(guī)模不變的情況下能處 理更多的任務，作為中小型網絡核心的低端p c 服務器可以從中獲得更多的性能提高。 本課題研究目前已經廣泛應用于各種中小型網絡核心的低端p c 服務器和工作站的 1 2 0 通信協議及其實現，主要側重它的協議規(guī)范和具體實現。 本論文按照以下順序介紹1 2 0 協議以及它在某項目中的具體實現： 首先，介紹p c i 總線，因為1 2 0 到目前為止主要是基于p c i 總線，而且本文相關的實 現部分也是以p c i 總線為基礎的，同時p c i 也是當前使用最為廣泛的局部總線，所以有必 要做相關說明。 其次，作為本文的重點，介紹1 2 0 技術出現的背景，從它的協議看它的優(yōu)勢和對以往 i 0 技術的改進，并結合后續(xù)將要介紹的具體實現，說明1 2 0 協議中定義的消息通信過程。 在介紹1 2 0 通信環(huán)境的同時，也結合本課題介紹了1 2 0 規(guī)范是如何基于p c i 總線的，兩者 是如何結合在一起實現l 2 0 通信的。 最后，介紹1 2 0 協議在我所做項目中的具體實現，使我們對1 2 0 有更清晰的理解。主 要介紹本項目實現的總體情況，并結合項目所使用的具體硬件環(huán)境詳細介紹1 2 0 通信的實 現，且對比了我們的實現與1 2 0 規(guī)范間的區(qū)別。 關鍵詞：1 2 0 ，p c i ，i 0 南京 | i | i l b 人學順i ： i j 宄生學位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h r o u g h p u to ft h ei n p u t o u t p u ts y s t e md e t e r m i n et h en e t w o r ke q u i p m e n t st h r o u g h p u t ， s u c ha sn e t w o r ks e r v e ra n dw o r k s t a t i o nt r o d i t i o n a ld e s i g no fs e r v e r sa n dw o r k s t a t i o n s a r e d e r i v e df r o mp e r s o n a lc o m p u t e r , w h i c hi sa c c e s s e db yo n l yo n ep e o p l e ，n o ti n t e n d e dt op r o c e s s h u g et h r o u g h p u t ，s o ，o n c et h e s ee q u i p m e n tb e c o m eac e n t e ro ft h en e t w o r k ，d a t at r a n s f e ro f t h e i n p u t o u t p u ts y s t e m w i l lb e c o m eb o t t l e n e c ko ft h es y s t e m i n t e l l i g e n ti n p u t o u t p u t ( 1 2 0 ) p r o t o c o lh a sb e e nh a n d e di nt os o l v et h i sp r o b l e m ，a n di ti sar e l i a b l e 1 2 0t e c h n o l o g ya s s i g nd a t a p r o c e s s i n gt oi n t e l l i g e n ty os u b s y s t e mi nt h es u b s y s t e m ，d e d i c a t e dp r o c e s s o rw i l lp r o c e s st h e i n c o m i n gi n t e r r u p t ，b u f f e ra c c e s s ，d a t at r a n s f e ra n ds oo n ，i nt h i sw a y , t h et h r o u g h p u to ft h ee n t i r e s y s t e mw i l lb ei m p r o v e dg r e a t l ya n dt h em a i np r o c e s s o ro ft h es e r v e rc a nd om a n ym o r e i m p o r t a n tw o r k i nt h i sp a p e r , i tf o c u s e so n1 2 0c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n di t s i m p l e m e n t a t i o ni na p r o j e c t b e c a u s e1 2 0p r o t o c o lh a sb e e nm o s t l yi m p l e m e n t e do nt h ep c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ) b u s ，s of i r s t ，i tg i v e sy o ut h ei m p r e s s i o no f t h ep c ib u s s e c o n d l y , i tw i l li n t r o d u c et h e 1 2 0p r o t o c o la n di t sa d v a n t a g e s ，a n di ta l s ot e l l sy o ut h ec o m b i n a t i o no ft h ep c ib u sa n d1 2 0 p r o t o c 0 1 a tl a s t ，i ti n t r o d u c e sh o w1 2 2 0p r o t o c o lh a sb e e ni m p l e m e n t e di no u rp r o j e c t ，i t i n t r o d u c e sy o uae n t i r ei m p l e m e n t a t i o no f1 2 0c o m m u n i c a t i o n ，t h ei m p l e m e n t a t i o ni sb a s e do n t h eh a r d w a r ea n ds o t ： w a r eo fo u r p r o j e c t 、s o t h e r ea r es o i n ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h i s i m p l e m e n t a t i o na n dt h et 2 0p r o t o c o l ，t h ed i f f e r e n c e sa r ei n t r o d u c e da tt h ee n do f t h i sp a p e r k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tf o ，p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，i n p u t o u t p u t 南京郵電大學 碩士學位論文摘要 學科、專業(yè)：工學通信與信息系統 研究方向：網絡技術與應用 作 者：三旦墮級研究生 王守林 指導教師塑塵 題目：基于p c i 的1 2 0 通信 英文題目：c o m m u n i c a t i o no nt h ep c i b a s e di n t e l l i g e n ti 0 p l a t f o r m 主題詞：1 2 0 p c i i o k e y w o r d s ： i n t e l l i g e n ti op e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t i n p u t o u t p u t 南京郵電大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 r8 5 1 0 6 6 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的 地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包 含為獲得南京郵電大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了 明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：釁日期：出， 南京郵電大學學位論文使用授權聲明 南京郵電大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留 本人所送交學位論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其 他復制手段保存論文。本人電子文檔的內容和紙質論文的內容楣一 致。除在保密期內的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布 ( 包括刊登) 論文的全部或部分內容。論文的公布( 包括刊登) 授權 南京郵電大學研究生部辦理。 研究生簽名：琳導師簽名 日期：趣! ! 生1 2 南京| | | | f l u 人學壩l 叫f 兜生學位論文 前言 前言 要實現不同的應用和功能，任何一個微處理器都要與一定數量的部件和外圍設備連 接，但如果將各部件和每一種外圍設備都分別用一組線路與c p u 直接連接，那么連線將會 錯綜復雜，甚至難以實現。為了簡化硬件電路設計、簡化系統結構，常用一組線路，配置 以適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。采用總 線結構便于部件和設備的擴充，尤其是制定了統一的總線標準，更容易使不同設備問實現 互連。 i 0 系統的性能決定著服務器，工作站等網絡中心設備的整體表現，而通常i 0 系統又 是通過總線將外圍設備與系統互連起來的，所以提高系統的i 0 性能離不開一個性能優(yōu)越 的總線。總線通常是一個硬件連接標準，但是一個完整的系統是由硬件和軟件協調工作的， 所以要想提高系統的整體性能，需要將一個性能優(yōu)越的總線和一個能夠充分發(fā)揮該總線特 點的軟件模型結合，形成系統高效的運行環(huán)境。智能輸入輸出技術( i n t e l l i g e n ti 0 ，簡稱 1 2 0 ) 不但針對目前典型的硬件環(huán)境提出了擴展建議，而且提出了一個基于典型系統的軟 件分層模型，通過軟硬件兩方面的改進，極大的提高i 0 系統的性能。 本文討論基于p c i 總線的1 2 0 通信及其在一個具體環(huán)境中的實現，共分為四章，具體 安排如下： 第一章，介紹總線概念，總線發(fā)展回顧。 第二章， 詳細介紹p c i 總線，分析討論它的特點以及p c i 總線上驅動的特點和共性。 第三章， 詳細介紹1 2 0 通信規(guī)范，分析制定該規(guī)范的初衷，分析它相對于以往的i o 通信的改進。在介紹1 2 0 通信環(huán)境的同時，結合本課題介紹1 2 0 規(guī)范是如 何基于p c i 總線的，兩者是如何結合在一起實現1 2 0 通信的。 第四章， 具體闡述在我所做的路由器項目中，使用1 2 0 通信協議的考慮和具體的實 現。主要介紹本項目實現的總體情況，并結合項目所使用的具體硬件環(huán)境 詳細介紹1 2 0 通信的實現，且對比了我們的實現與1 2 0 規(guī)范間的區(qū)別。 結束語，對全文進行總結。 南京蚺；i u 人學娥l 研究生學位論文 第一章總線及j e 發(fā)疑 第一章總線及其發(fā)展 1 1 總線出現的背景 任何一種外罔沒有掛接設備的微處理器都是沒有價值的，因為它什么都不能做，對我 們毫無用處。所以必須在微處理器周圍掛接上適應各種不同應用的設備，但如果單純的將 各部件或外圍設備都分別用一組線路與c p u 直接連接，那么連線將會錯綜復雜，很多控制 功能甚至難以實現，而且也不方便整個系統的標準化。采用總線結構便于部件和設備的擴 充，尤其制定了統一的總線標準更容易使不同設備間實現互連。 總線的出現基于以下的一些要求： 1 模塊化，計算機部件要具有通用性，應能盡量適應不同系統與不同用戶的需求，設 計必須模塊化。 2 外設的多樣性，計算機部件產品模塊供應出現多元化。 3 ，兼容性，模塊之間的聯接關系要標準化，使模塊具有通用性，有利于不同系統之問 的兼容。 4 標準化，模塊設計必須基于一種大多數廠商認可的模塊聯接關系，即一種總線標準， 這樣j 能推廣。 1 2 總線及其分類 1 2 1 總線定義和分類 總線是按一定的傳輸規(guī)則組織起來的信號線集合，它是模塊間傳輸信息的公共通道， 計算機各部件間通過它可進行各種數據和命令的傳送。總線是為了簡化硬件電路設計、簡 化系統結構所使用的一組線路，并且配置以適當的接口電路，將c p u 和各部件及外圍設備 進行連接。 總線按其所承擔的功能可分為三種類型： 1 數據總線( d a t ab u s ) ：其功能是傳輸數據和指令信息。 2 地址總線( a d d r e s sb u s ) ：其功能是傳輸內存或i o 設備地址。 3 控制總線( c o n t r o lb u s ) ：其功能是給出總線周期類型、i o 操作完成的時刻、d m a 周期、中斷等有關控制信號。 總線按其相對于c p u 和其它外圍芯片的位置通?？梢苑譃閮炔靠偩€和外部總線： 1 內部總線是微處理器片上內部各外圍芯片與微處理器之間的總線，用于芯片一級 南京1 | l l ；f 也人學壩i 斜究生學位論史 第一章總線及j 發(fā)聯 的互連。直觀地可以理解為，存c p u 內部，寄存器之間和算術邏輯部件a l u 與控制部件 之叫傳輸數據所用的總線。 2外部總線是微機和外部設備之間的總線，微機作為一種設備，通過該總線和其他 毆備進行信息與數據交換，用于設備一級的互連。直觀地可以理解為，是指c p u 與內存 r a m 、r o m 和輸入輸出設備接口之間進行通訊的通路。 另外，從廣義上隨，計算機通信方式可以分為并行通信和串行通信，相應的通信總線被 稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快、實時性好，但由于占用的信號線多，封裝成 本較高，且不適于小型化產品；而串行通信速率雖低，但在數據通信吞吐量不是很大的微 處理電路中則顯得更加簡易、方便、靈活。 1 2 2 總線的基本概念 上文中提到總線是按一定的傳輸規(guī)則組織起來的信號線集合，為了更好地描述總線上 的相關傳輸規(guī)則，定義了以下術語： 1 總線周期：是通過總線完成一次內存讀寫操作或完成次輸入，輸出設備的讀寫操作所 必須的時間。通常由地址時間和數據時間組成。 a )地址時間：用于c p u 向內存或i 0 設備送地址到地址總線的時間。 b )數據時間：用于c p u 向內存或i o 設備送數據的時間。 2 總線的等待狀態(tài)：若設備的讀寫速度慢，不能在一個總線的數掘時間完成讀寫操作， 必須再增加一到幾個數據時問，這段時間稱總線的等待狀態(tài)。 3 總線周期分類：依據具體操作的性質，可把一個總線周期分為內存讀周期、內存寫周 期、i o 讀周期和i o 寫周期。依據數據傳輸方式。可以把一個總線周期分為正?？偩€周期 和b u r s t 總線周期。 a )正?？偩€周期( n o r m a lb u sc y c l e ) ：若每次數據傳輸都要用地址時問和數據時間組 成的完整的總線周期來完成讀寫，則稱這種總線周期為正?？偩€周期。 b ) b u r s t 總線周期( b u r s t m o d e ) ：若給出一次地址信息( 一個地址時間) 后，接著 用連續(xù)多個數據時間依次傳輸多個數據，則稱這種運行方式為總線的突發(fā)傳輸方式，又稱 b u r s t 總線周期 4 總線仲裁：出于總線在某個具體時刻只能由一個設備占用，所以當總線上連接多個設 備時，必須有分配總線控制權的機構( 總線仲裁器) 。一次總線操作中通常會涉及以下幾 個設備： 南京i | | f f i 乜又學碩f 研究生學位論文 鎳一幸總線及j i 笈艟 a 1總線主設備( b u sm a s t e r ) ：首先發(fā)起總線操作并肩動傳輸過程，即申請總線使用權并 發(fā)出命令控制總線運行的一方稱為總線主設備。 b 、總線從設備( b u ss l a v e ) ：響應由主設備發(fā)出的命令并執(zhí)行讀寫操作的設備稱為總線 從設備。 c 1 總線仲裁器( b u sa r b i t e r ) ：當有多個總線主設備都發(fā)出申請總線的請求時，能決定哪 一個中請者能耿得總線的使用權的專用部件稱為總線仲裁器。 5 數據傳送控制( 總線通信控制) ：即同步問題，常用的有同步和異步通信兩種方式。 a 1同步通信：是指在總線上傳送數據時，通信雙方使用同一個時鐘信號進行同步， 該時鐘稱為總線時鐘。 b )異步通信：是指在總線上傳送數據時，允許通信雙方各自使用自己的時鐘信號， 采用“應答方式”( 握手方式) 解決數據傳輸過程中的時間配合問題，而不是共同使用同 一個日、】鐘。 上述術語將有助于我們理解下文中的p c i 總線規(guī)范。 1 2 3 總線發(fā)展介紹 隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，總線技術也在不斷地發(fā)展和完善，使計算機總 線技術種類繁多，各具特色。下面僅對在微機發(fā)展中，各種應用較為廣泛的總線加以介紹。 1 2 3 1 內部總線 1 1 2 c 總線 1 2 c ( i n t e r - i c ) 總線十多年前由p h i l i p s 公司推出，是近年來在微電子通信控制領域廣 泛采用的一種新型總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接v 1 線少，控制方式簡 化，器件封裝尺寸小，通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個1 2 c 總線器件同 時接到1 2 c 總線上，通過地址來識別通信對象。 2 s p i 總線 串行外圍設備接口s p i ( s e r i a l p e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 總線技術是m o t o r o l a 公司推出的一 利一同步串行接口。m o t o r o l a 公司生產的絕大多數m c u ( 微控制器) 都配有s p i 硬件接v i ， 如6 8 系列m c u 。s p l 總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強，所以，與s p i 有關 的軟件就相當簡單，使c p u 有更多的時間處理其他事務。 3 s c i 總線 串行通信接口s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 也是由m o t o r o l a 公司推出的。它是 一種通用異步通信接口u a r t ，與m c s 一5 1 的異步通信功能基本相同。 墮塞l 業(yè)! 叁堂塑! ：! ! 塑生堂竺鯊苧 1 2 3 2 外部總線 第一章總線發(fā)) e 發(fā)腱 1 i s a 總線 s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 總線標準是i b m 公司1 9 8 4 年為推出p c a t 機而 建立的系統總線標準，所以也叫a t 總線。它是對x t 總線的擴展，以適應8 1 6 位數掘總 線要求。它在8 0 2 8 6 至8 0 4 8 6 時代應用非常廣泛，以至于現在奔騰機中還保留有i s a 總線 插槽。i s a 總線有9 8 只引腳。 2 e i s a 總線 e i s a 總線是1 9 8 8 年由c o m p a q 等9 家公司聯合推出的總線標準。它是在i s a 總線的 基礎一卜使用雙層插座，在原來i s a 總線的9 8 條信號線上又增加了9 8 條信號線，也就是在 兩條i s a 信號線之間添加一條e i s a 信號線。在實用中，e i s a 總線完全兼容i s a 總線信號。 3 v e s a 總線 v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r da s s o c i a t i o n ) 總線是1 9 9 2 年由6 0 家附件卡制造商聯 合推出的一種局部總線，簡稱為v l ( v e s a l o c a lb u s ) 總線。它的推出為微機系統總線體系 結構的革新奠定了基礎。該總線系統考慮到c p u 與主存和c a c h e 的直接相連，通常把這部 分總線稱為c p u 總線或主總線，其他設備通過v l 總線與c p u 總線相連，所以v l 總線 被稱為局部總線。它定義了3 2 位數據線，且可通過擴展槽擴展到6 4 位，使用3 3 m h z 時 鐘頻率，最大傳輸率達t 3 2 m b s ，可與c p u 同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可 支持3 8 6 s x 、3 8 6 d x 、4 8 6 s x 、4 8 6 d x 及奔騰微處理器。 4 p c i 總線 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ) 總線是當前最流行的總線之一，它是由n t e l 公司推出的一種局部總線。它定義了3 2 位數據總線，且可擴展為6 4 位。p c i 總線主板插 槽的體積比原i s a 總線插槽還小，其功能比v e s a 、i s a 有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操 作，3 3 m h z 、3 2 b i t 總線最大傳輸速率可達1 3 2 m b s ，可同時支持多組外圍設備，支持p c i - - p c i 橋，大大提高了系統的可擴展性。p c i 局部總線不能兼容現有的i s a 、e i s a 、m c a ( m i c r oc h a n n e la r c h i t e c t u r e ) 總線，但它不依賴于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器 而發(fā)展的總線。關于p c i 的詳細介紹見第二章。 5 p c i x 總線 這是目前服務器網卡經常采用的總線接口，它與原來的p c i 相比在y o 速度方面提高 了一倍，比p c i 接口具有更快的數據傳輸速度( 2 0 版本最高可達到2 6 6 m b s 的傳輸速率) 。 p c i - x 總線接口的網卡一般為3 2 位總線寬度，也有的是用6 4 位數據寬度的。 6 p c i e x p r e s s 總線 南京郵 u 人學碳十 i j 究生學位論文筇一章總線技其發(fā)腱 p c ie x p r e s s 采用了點對點串行連接，比起p c i 以及更早期的計算機總線的共享并行架 構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數據傳輸率 提高到個很高的水平，達到f c i 所不能提供的高帶寬。相對于傳統f c i 總線在單一時間 周期內只能實現單向傳輸，p c ie x p r e s s 的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量，它們 之問的差異跟半雙工和全雙工類似。 p c ie x p r e s s 的接口根據總線位寬不同而有所差異，包括x 1 、x 4 、x 8 以及x 1 6 ( x 2 模式將用于內部接口而非插槽模式) 幾種模式。p ( i e x p r e s s 也支持高階電源管理，支持熱 插拔，支持數掘同步傳輸，為優(yōu)先傳輸數據進行帶寬優(yōu)化。 7 r s ，2 3 2 c 總線 r s 一2 3 2 c 是美國電子工業(yè)協會e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r y a s s o c i a t i o n ) 制定的一種串行 物理接口標準。r s 是英文”推薦標準”的縮寫，2 3 2 為標識號，c 表示修改次數。r s 2 3 2 一c 總線標準設有2 5 條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數情況下主要使用主 通道，列于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條 地線。r s 一2 3 2 - c 標準規(guī)定的數據傳輸速率為每秒5 0 、5 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、 2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。r s 2 3 2 - c 標準規(guī)定，驅動器允許有2 5 0 呻f 的電容負載， 通信距離將受此電容限制，例如，采用1 5 0 p f m 的通信電纜時，最大通信距離為1 5 m ；若 每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是r s 一2 3 2 屬單端信 號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于2 c r n 以內的通信。 8 u s b 總線 通用串行總線u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是由n l e l 、c o m p a q 、d i 鰣t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、 n e c 、n o r t h e r n t e k c o r n 等7 家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標 準。它基于通用連接技術，實現外設的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展p c 連接外設范圍的目的。它可以為外設提供電源，而不像普通的使用串、并口的設備需要單 獨的供電系統。另外，快速是u s b 技術的突出特點之一。u s b l 1 標準的最高傳輸率可達 1 2 m b p s ，比串口快1 0 0 倍，比并口快近1 0 倍，而且u s b 還能支持多媒體；而u s b 2 0 標 準的傳輸速率可以高達4 8 0 m b p s 。 9 i e e e t 3 9 4 總線 1 e e e1 3 9 4 是為了增強外部多媒體設備與電腦連接性能而設計的高速串行總線，傳輸 速率可以達到4 c c m b p s ，利用 e e l 3 9 4 技術我們可以輕易地把電腦和攝像機，高速硬盤， 音響設備等設備中存儲的數據倒入到p c 電腦中。它具有兩種數據傳輸模式：同步 ( i s o c h o n o u s ) 傳輸與非同步( a s y n c h r o n o u s ) 傳輸，同步傳輸模式可確保某連線的頻寬，對 南京| f | | j l u 人掌f i ! ；! 1 州，e 生學位論文 笫一章總線及c 發(fā)勝 f 即時影像而吉+ 這是相當重要的。因為影音數據都有時間上的限制，無法接受過久的延遲。 i e e e1 3 9 4 支持熱插拔，可以自動偵測設備的加入與移出動作，并對系統做重新整合， 無須人工干預。 南京l i l l i l u 凡學顫l ：i o l 究生學位論文 瓠二奇p c i 總線 第二章p c i 總線 第章介紹了計算機總線的定義、類別、發(fā)展情況和目前流行的幾種總線標準。本章 將具體介紹本文重點關注的p c i 總線。從1 9 9 2 年創(chuàng)立規(guī)范至今，p c i 總線己成為事實上的 計算機工業(yè)總線標準。這主要歸功于p c i 本身的很多獨創(chuàng)性的優(yōu)點。下面將分節(jié)介紹p c i 總線出現的背景，p c i 總線優(yōu)勢，并結合它的各種優(yōu)點詳細介紹與我們設計、實現p c i 總 線和設備驅動相關的內容。 2 1p c i 總線的提出 1 9 9 2 年以前，p c 機中流行的是i s a 總線( 8 1 6 b i t 的系統總線，最大傳輸速率僅為 8 m b s ) ，該總線是以i b m 的p c a t 總線為基礎發(fā)展起來的工業(yè)標準總線。在3 8 6 出現后， 隨著c p u 頻率的提升，i s a 總線速度就成了整個系統性能的瓶頸，影響c p u 效率。伴隨 著c p u 頻率的大幅提升和各種應用對i o 性能要求的提高，為了提高p c 機的整體性能， 1 9 9 2 年，h j l t e i 在發(fā)布4 8 6 處理器的同時，提出了3 2 b i t 數據位寬的p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ，周邊組件互連) 總線。 最早提出的p c i 總線工作在3 3 m t t z 頻率之下，傳輸帶寬達到1 3 3 m b s ( 3 3 m h z 4 3 2 b i t 8 ) ，比i s a 總線有了極大的改善，基本上滿足了當時處理器的發(fā)展需要。隨著對更 高性能的要求，1 9 9 3 年提出了數據位寬為6 4 b i t 的p c i 總線，后來又提出把p c i 總線的 工作頻率提升到6 6 m h z 。目前廣泛采用的是3 2 b i t 、3 3 m h z 的p c i 總線。p c i 總線是獨 立于c p u 的系統總線，采用了獨特的中問緩沖器設計，可將聲卡、網卡、硬盤控制器等 高速的外圍設備直接掛在c p u 總線上，使得c p u 的性能得到充分的發(fā)揮。 2 2p c i 總線 p c i 總線是一種不依賴于某個具體處理器的局部總線。從結構上看，p c i 為c p u 提供 了一一級設備擴展總線，并由一個橋接電路實現對這一層的管理，實現c p u 和外部設備之間 的接口以協調數據的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持1 0 種外設，并能在高時 鐘頻率下保持高性能。 相對于i s a 這些早期總線來說，p c i 總線有很多優(yōu)點，比如，工作頻率提高，總線帶 寬提高并適應了c p u 總線的要求，即插即用功能，中斷共享等；另外p c i 總線具有嚴格 的標準和規(guī)范，這就保證了它具有良好的兼容性，符合p c i 規(guī)范的擴展卡可插入任何p c i 系統可靠地工作：p c i 總線可以提供高數據傳送速率( 1 3 2 m b s ) 或( 2 6 4 m b s ) ；p c i 總 南京郵l u 人學壩i ：叫究生學位論文 第二章p c i 總線 線與c p u 無關，與時鐘頻率亦無關，可適用于各種平臺，支持多處理器和并發(fā)工作；p c i 總線還具有良好的擴展性，通過p c i - p c i 橋路，可進行多級擴展。 p c i 總線的自動配置功能使其應用更為簡單、方便。由于該總線標準為元件和插件分 配了相府的配旨寄存器，刑于某個系統只要有嵌入的自動配置軟件，就可以在系統加電時 白動配霄p c i 總線上的設備，為用戶提供了極大的方便，以上特點使得p c i 總線成為目前 p c 機上最通用的一種總線。 2 2 1 基本概念 從數掘寬度上看，p c i 總線有3 2 b i t 、6 4 b i t 之分；從總線工作頻率上看，有3 3 m h z 、 6 6 m h z 兩種。目前流行的是3 2 b i t 位寬，工作在3 3 m h z 頻率下的p c i 總線( 3 2 b i t * 3 3 m h z ) 。 改良的p c i 系統p c i x ，帶寬最高可以達到6 4 b i t * 1 3 3 m h z ，這樣就可以得到超過1 g b s 的數據傳輸速率。如果沒有特殊說明，以下的討論以3 2 b i t + 3 3 m h z 為例。 不同于i s a 總線，p c i 總線的地址總線與數據總線是分時復用的，這樣做的優(yōu)點是可 以節(jié)省援插件的管腳數。在進行數據傳輸時，由一個p c i 設備作為發(fā)起者( 主控，i n i t i a t o r 或m a s t e r ) ，而另一個p c i 設備作為目標( 從設備，t a r g e t 或s l a v e ) ?？偩€上的所有時序 的產生與控制，都由m a s t e r 發(fā)起。由于p c i 總線在同一時刻只能供一對設備完成傳輸，所 以當一個p c i 總線上掛接多個p c i 設備時，就要求有一個仲裁者( a r b i t e r ) 來決定誰有權 力拿到總線的主控權。p c i 規(guī)范中有專門關于總線仲裁的說明和定義。 作為一個總線標準，引腳功能及操作時序是非常重要的，下面以p c i 基本讀操作時序 為例院明p c i 操作的時序要求，首先介紹3 2 b i t 位寬的p c i 總線管腳分類： 1 系統控制： 1 ) c l k ：時鐘信號線，提供p c i 操作時鐘，除了r s t # 、i n t a # 、i n t b # 、i n t c # 和 i n t d # 之外的p c i 操作信號都是在c l k 信號的上升沿采樣，它由外部時鐘源提供。 2 ) r s t 抖：復位信號線，該信號可以和c l k 時鐘信號異步。 2 傳輸控制： 1 ) f r a m e # ：c y c l ef r a m e ，由p c i 操作主控設備發(fā)出，標志操作開始與結束。 2 ) i r d y # ：i n i t i a t o r r e a d y ，表示p c i 主控設備可以完成當前操作。 3 ) t r d y # ：t a r g e tr e a d y ，表示p c i 從設備可以完成當前操作。t r d y # 和i r d y # 同 時生效表明后續(xù)的數據傳輸可以進行。 4 ) d e v s e l # ：d e v i c es e l e c t ，當某個從設備發(fā)現自己被尋址時置低應答。 5 ) i d s e l ：i n i t i a l i z a t i o nd e v i c es e l e c t ，在配置空間讀寫時作為片選信號線。 墮皇! ! ! ! ! l ! 叁蘭塑1 ! 壟竺蘭竺堡苧 塑三! ! 旦璺絲 6 1s t o p # ：從設備主動結束傳輸數據的信號。 3 地址與數據總線： 1 1a d 3 1 ：0 1 ：地址數據分時復用總線。 2 ) c b e # 3 ：0 1 ：b u sc o m m a n da n db y t ee n a b l e ，命今字節(jié)使能信號。當地址信號有 效時，這四個信號線定義的是b u sc o m m a n d ；當數據信號有效時，這四個信號線定義的是 b y t ee n a b l e 。 3 1p a r ：奇偶校驗信號。 4 仲裁信號： 1 、a z q # ：r e q u e s t ，主設備用來向仲裁器請求總線使用權的信號。 2 1g n t # ：g r a n t ，仲裁器允許主設備得到總線使用權的信號。 5 錯誤報告： 11 p e r r # ：p a r i t ye r r o r ，數據奇偶校驗錯。 2 1 s e r r # ：s y s t e me r r o r ，系統奇偶校驗錯。 c “八nn 廠、nnn n 。r l 疊 j 罩母 7b 孽 ， ： f 黻一 弋； i 廠一。譬” f 陽i 、i j z ：舅 ；iii； 口_ 量鰻酰曹文通四【王x 受冒c j 遁匠皤： ；i ；i ； c 糟口：蠹受匯二e ：西j = = e = 互二j = x 譬_ i 襄d 撐： t 鞋時。j 0 e v s f a j ： 小蕊瓣 + 萌群菰掰爭 肼 翥蓐 辮自鶘似 s 翔 s 叫敝惑t 張啦； e 韉。i + 牛 圖1p c i 基本讀操作時序 上圖是p c i 基本讀操作時序，當p c i 總線進行操作時，發(fā)起者( m a s t e r ) 先置r e q # ，當 得到仲裁器( a r b i t e r ) 的許可時( g n w ) ，會將f r a m e # 置低，并在a d 總線上放置s l a v e 地 址，同時c b e # 放置命令信號，說明接下來的傳輸類型。所有p c i 總線上設各都需對此地 址譯碼，被選中的設備要置d e v s e l 樣以聲明自己被選中。然后當i r d y # - 與t r d y 都置低 南束ie i l f , t 3 人學壩l ，e 生學位論文笫一章p c i 總線 時，可以傳輸數據。當m a s t e r 數據傳輸結束前，將f r a m e # 置高以標明只剩最后一組數據 要傳輸，并在傳完數據后放開i r d y # 以釋放總線控制權。 這早我們可以看出，p c i 總線的傳輸是很高效的，發(fā)出一組地址后，理想狀態(tài)下可以 連續(xù)發(fā)數據，峰值速率為1 3 2 m b s 。實際上，目| j 臺式機支持3 3 m h z * 3 2 h i t 標準p c i 的橋 芯片一般可以做到i o o m b s 的連續(xù)傳輸。 2 2 2p c l 總線優(yōu)點 p c i 總線之所以能夠迅速的取代i s a 成為流行，而且到目前為止還是應用得最廣的總 線標準，它的以下幾大優(yōu)點功不可沒： 1 p c i 總線的實現獨立于具體c p u 類型( 不同類型的c p u 都可以實現p c i 標準) ， 且p c i 總線與c p u 時鐘頻率無關，可適用于各種平臺，支持多處理器。通常系統中實現 p c i 總線標準有兩種方式： 1 ) 通過掛接在c p u 上的橋芯片實現p c i 控制器，進而實現p c i 總線功能。 2 ) 通過c p u 上集成的p c i 總線控制器實現p c i 總線功能。 2 p c i 總線具有良好的擴展性，通過p c i p c i 橋路，可進行多級擴展，詳見下文蛻 明。 3 自動配置，即插即用功能，詳見下文說明。 4中斷共享，p c i 規(guī)范定義了四條中斷引腳( 1 n t a 存、i n t b # 、i n t c # 和州t d ) ， 設備制造商可以根據產品特點任意組合這些中斷引腳形成一個中斷線引到系統中斷控制 器或者c p u ，參見下文i n t e r r u p tp i n 說明。 下面將著重介紹“即插即用”和可擴展性。 2 2 2 1 自動配置 所謂“即插即用”，是指當p c i 設備插入系統時，系統會自動對該設備所需資源進行 分配，如基地址、中斷號等，并自動尋找相應的驅動程序。而不象舊的i s a 板卡，需要進 行復雜的手動配置。 實際的實現遠比說起來要復雜。為了實現“即插即用”功能，在所有p c i 設備中( 除 了直接掛接在c p u 上的主橋，其上實現p c i 控制器) ，必須包含一組寄存器，叫“配置空 問( c o n f i g u r a t i o ns p a c e ) ”。p c i 規(guī)范中將配置空間大小定義為2 5 6 字節(jié)，且將它分為預定 義頭( p r e d e f i n e dh e a d e rr e g i o n ) 和與設備相關的部分( d e v i c ed e p e n d e n t r e g i o n ) 。 預定義頭部分定義的是設備標識和設備控制相關的寄存器。預定義頭部分又可分為兩 個部分，前面1 6 字節(jié)和剩余字節(jié)。之所以分成這兩部分是由于，前面1 6 字節(jié)對于所有p c i 南京| | i j l u 人學壩 ：州，t 生學位論文 鋁二章p c i 總線 設備具有相同的定義，而后面剩余字節(jié)定義的寄存器格式，不同的設備可能實現情況不同， 它們是利用h e a d e r t y p e 域( 偏移為o x 0 e ) 進行區(qū)分。下面將介紹我們通常所用的配置空 間結構( h e a d e r t y p e = o x 0 0 ) ： d e v l c ei dv o n d o rl i d 8 t a t u sc o m m a n d c l a s sc o d er e v l s l o n 口 b i s t h e a d e r l a t e n c y c a c h el i n o t y p e t i n n e rs i z e b a s ea d d r e s sr e g i s t e r s c a r d b u scsp o i n t e r s u b s y s t e mi ds u b s y s t e mv e n d o ri d e x p a n s i o nr o mb a s ea d d r e s s r s s 6 r v o d c a p a n l l t l e s p o i n t e r r e s e l v e d m a xl a tm i ng n t i n t e r m p ti n t e r r u p t p i n l i n e 0 0 h 0 4 h 0 8 h o c h 1 0 h 1 4 h 1 8 h 1 c h 2 0 h 2 4 h 2 8 h 2 c h 3 0 h 3 4 h 3 8 軸 3 c | 1 圖2p c i 配置空間定義( t y p e ：o o h ) 下面介紹常用的幾個域，其它域的詳細說明參見p c i 規(guī)范。 b a s ea d d r e s sr e g i s t e r ：系統分配給p c i 設備的f o 映射空間或m e m o r y 空間基地址。 上電時，系統的初始化代碼( 通常是存放在r o m 或e e p r o m 中的啟動代碼) 將按照p c i 規(guī)范配置p c i 設備的i o 映射空間、m e m 映射空間等寄存器