Для шины PCI принята иерархия понятий адресации: шина, устройство, функция. Эти понятия фигурируют только при обращении к регистрам конфигурационного пространства. К этим регистрам обращаются на этапе конфигурирования - переучета обнаруженных устройств, выделения им непересекающихся ресурсов (областей памяти и пространства ввода-вывода) и назначения номеров аппаратных прерываний. При дальнейшей регулярной работе устройства будут отзываться на обращения по назначенным им адресам памяти и ввода-вывода, доведенным до сведения связанных с ними модулей ПО. Эти адреса принимаются с шины AD в начале каждой транзакции. Для доступа к конфигурационному пространству используются отдельные линии IDSEL
Устройством PCI называется микросхема или карта расширения, подключенная к одной из шин PCI и использующая для идентификации выделенную ей линию IDSEL, принадлежащую этой шине. Устройство может быть многофункциональным, то есть состоять из множества (от 1 до 8) так называемых функций. Каждой функции отводится конфигурационное пространство в 256 байт. Многофункциональные устройства должны отзываться только на конфигурационные циклы с номерами функций, для которых имеется конфигурационное пространство. При этом функция с номером 0 должна быть обязательно, номера остальных функций назначаются разработчиком устройства произвольно (в диапазоне 1-7). Простые (однофункциональные) устройства, в зависимости от реализации, могут отзываться либо на любой номер функции, либо только на номер функции 0.
Шина PCI — набор сигнальных линий, непосредственно соединяющих интерфейсные выводы группы устройств (слотов, микросхем на системной плате). В системе может присутствовать несколько шин PCI, соединенных мостами PCI. Мосты электрически отделяют интерфейсные сигналы одной шины от другой, соединяя их логически; главный мост соединяет главную шину с ядром системы (процессором и памятью). Каждая шина имеет свой номер шины (PCI bus number). Шины нумеруются последовательно; главная шина имеет нулевой номер.
С точки зрения конфигурирования, минимальной адресуемой единицей этой иерархии является функция; ее полный адрес состоит из трех частей: номера шины, номера устройства и номера функции. Короткая форма идентификации вида РСЮ:1:2 (например, в сообщениях ОС Unix) означает функцию 2 устройства 1, подключенного к главной (0) шине PCI.
В каждой транзакции (обмене по шине) участвуют два устройства - инициатор (initiator) обмена, он же ведущее (master) устройство, и целевое (target) устройство (ЦУ), оно же ведомое (slave). Шина PCI все транзакции трактует как пакетные: каждая транзакция начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных. Состав и назначение интерфейсных сигналов шины приведены ниже/
AD[31:0] Address/Data - мультиплексированная шина адреса/данных. В начале транзакции передается адрес, в последующих тактах —данные
С/ВЕ[3:0]# Command/Byte Enable - команда/разрешение обращения к байтам. Команда, определяющая тип очередного цикла шины, задается четырехбитным кодом в фазе адреса „
FRAME* - Кадр. Введением сигнала отмечается начало транзакции (фаза адреса), снятие сигнала указывает на то, что последующий цикл передачи данных является последним в транзакции
DEVSEL* Device Select - устройство выбрано (ответ ЦУ на адресованную к нему транзакцию)
IRDY* Initiator Ready - готовность ведущего устройства к обмену данными
TRDY* Target Ready - готовность ЦУ к обмену данными
STOP* Запрос ЦУ к ведущему устройству на остановку текущей транзакции
LOCK* - Сигнал захвата шины для обеспечения целостного выполнения операции. Используется мостом, которому для выполнения одной операции требуется выполнить несколько транзакций PCI
REQ# Request - запрос от ведущего устройства на захват шины
GNT# Grant - предоставление ведущему устройству управления шиной
PAR Parity - общий бит паритета для линий AD[31:0] и С/ВЕ[3:0]#
PERR* - Parity Error — сигнал об ошибке паритета (для всех циклов, кроме специальных). Вырабатывается любым устройством, обнаружившим ошибку
РМЕ# Power Management Event - сигнал о событиях, вызывающих изменение режима
потребления (дополнительный сигнал, введенный в PCI 2.2)
CLKRUN* Clock running - шина работает на номинальной частоте синхронизации. Снятие сигнала означает замедление или остановку синхронизации с целью снижения потребления (для мобильных применений)
PRSNT[1,2]# Present - индикаторы присутствия платы, кодирующие запрос потребляемой мощности. На карте расширения одна или две линии индикаторов соединяются с шиной GND, что воспринимается системной платой
RST# Reset - сброс всех регистров в начальное состояние
IDSEL Initialization Device Select - выбор устройства в циклах конфигурационного
считывания и записи
SERR# System Error - системная ошибка. Ошибка паритета адреса данных в специальном цикле или иная катастрофическая ошибка, обнаруженная устройством. Активизируется любым устройством PCI и вызывает NMI
REQ64* Request 64 bit - запрос на 64-битный обмен. Сигнал вводится 64-битным
инициатором, по времени он совпадает с сигналом FRAME*. Во время окончания сброса (сигналом RST*) сигнализирует 64-битному устройству о том, что оно подключено к 64-битной шине. Если 64-б.итное устройство не обнаружит этого сигнала, оно должно переконфигурироваться на 32-битный режим, отключив буферные схемы старших байтов
АСК64* - Подтверждение 64-битного обмена. Сигнал вводится 64-битным ЦУ, опознавшим свой адрес, одновременно с DEVSEL*. Отсутствие этого подтверждения заставит инициатор выполнять обмен с 32-битной разрядностью
INTA#, INTB*, Interrupt А, В, С, D — линии запросов прерывания, чувствительность к уровню, INTC#, INTD* активный уровень — низкий, что допускает разделяемость (совместное использование)линий
CLK Clock - тактовая частота шины. Должна лежать в пределах 20-33 МГц, в PCI2.1- до 66 МГц
M66EN 66MHz Enable - разрешение частоты синхронизации до 66 МГц
SDONE Snoop Done - сигнал завершенности цикла слежения для текущей транзакции. Низкий уровень указывает на незавершенность цикла слежения за когерентностью памяти и кэша. Необязательный сигнал, используется только устройствами шины с кэшируемой памятью
SBO# Snoop Backoff - попадание текущего обращения к памяти абонента шины
в модифицированную строку кэша. Необязательный сигнал, используется только абонентами шины с кэшируемой памятью при алгоритме обратной записи
ТСК Test Clock - синхронизация тестового интерфейса JTAG
TDI Test Data Input - входные данные тестового интерфейса JTAG
TOO Test Data Output - выходные данные тестового интерфейса JTAG
TMS Test Mode Select - выбор режима для тестового интерфейса JTAG
TRST Test Logic Reset - сброс тестовой логики
В каждый момент времени шиной может управлять только одно ведущее устройство, получившее на это право от арбитра. Каждое ведущее устройство имеет пару сигналов — REQ# для запроса на управление шиной и GNT* для подтверждения предоставления управления шиной. Устройство может начинать транзакцию (устанавливать сигнал FRAME*) только при активном полученном сигнале GNT*. Снятие сигнала GNT* не позволяет устройству начать следующую транзакцию, а при определенных условиях (см. ниже) заставляет прекратить начатую транзак¬цию. Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный узел, входящий в чипсет системной платы. Схема приоритетов (фиксированный, циклический, комбинированный) определяется программированием арбитра.
Для адреса и данных используются общие мультиплексированные линии AD. Четыре мультиплексированные линии С/ВЕ[3:0] обеспечивают кодирование команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных. В начале транзакции ведущее устройство активизирует сигнал FRAME*, по шине AD передает целевой адрес, а по линиям С/ВЕ# - информацию о типе транзакции (команде). Адресованное ЦУ отзывается сигналом DEVSEL*. Ведущее устройство указывает на свою готовность к обмену данными сигналом IRDY#, эта готовность может быть выставлена и раньше получения DEVSEL*. Когда к обмену данными будет готово и ЦУ, оно установит сигнал TRDY*. Данные по шине AD передаются только при одновременном наличии сигналов IRDY# и TRDY*. С помощью этих сигналов ведущее устройство и ЦУ согласуют свои скорости, вводя такты ожидания. На рисунке приведена временная диаграмма обмена, в которой и ведущее устройство, и ЦУ вводят такты ожидания. Если бы они оба ввели сигналы готовности в конце фазы адреса и не снимали их до конца обмена, то в каждом такте после фазы адреса передавались бы по 32 бита данных, что обеспечило бы выход на предельную производительность обмена.
Количество фаз данных в пакете явно не указывается, но перед последней фазой данных ведущее устройство при введенном сигнале IRDY* снимает сигнал FRAME*. В одиночных транзакциях сигнал FRAME* активен лишь один такт. Если устройство не поддерживает пакетные транзакции в ведомом режиме, то оно должно потребовать прекращения пакетной транзакции во время первой фазы данных (введя сигнал STOP* одновременно с TRDY*). В ответ на это ведущее устройство завершит данную транзакцию и продолжит обмен последующей транзакцией с новым значением адреса. После последней фазы данных ведущее устройство снимает сигнал IRDY#, и шина переходит в состояние покоя (PCI Idle) - оба сигнала FRAME* и IRDY# находятся в пассивном состоянии. Инициатор может начать следующую транзакцию и без такта покоя, введя FRAME* одновременно со снятием IRDY#. Такие быстрые смежные транзакции (Fast Back-to-Back) могут быть обращены как к одному, так и к разным ЦУ. Первый тип поддерживается всеми устройствами PCI, выступающими в роли ЦУ. На поддержку второго типа (она необязательна) указывает бит 7 регистра состояния. Инициатору разрешают (если он умеет) использовать быстрые смежные транзакции с разными устройствами (битом 9 регистра команд), только если все агенты шины допускают быстрые обращения.
Рис. 29. Цикл обмена на шине PCI
Шина позволяет уменьшить мощность (ток), потребляемую устройствами, ценой снижения производительности, применяя пошаговое переключение линий AD[31:0] и PAR (address/data stepping). Здесь возможны два варианта.
· Плавный шаг (continuous stepping) - начало
формирования сигналов слаботочными формирователями за несколько тактов до введения сигнала-квалификатора действительной информации (FRAME# в фазе адреса, IRDY# или TRDY# в фазе данных). За эти несколько тактов сигналы «доползут» до требуемого значения при меньшем токе.
· Дискретный шаг (diskrete stepping) - нормальные
формирователи срабатывают не все сразу, а группами (например, побайтно), в каждом такте по группе. При этом снижаются броски тока, поскольку одновременно переключается меньше формирователей.
Устройство само может и не пользоваться этими возможностями (см. бит 7 регистра команд), но должно «понимать» такие циклы. Задерживая сигнал FRAME*, устройство рискует потерять право доступа к шине, если арбитр получит запрос от более приоритетного устройства.
Протокол квитирования обеспечивает надежность обмена - ведущее устройство всегда получает информацию об отработке транзакции ЦУ. Средством повышения надежности (достоверности) является применение контроля паритета: линии AD[31:0] и С/ВЕ[3:0]# и в фазе адреса, и в фазе данных защищены битом паритета PAR (количество единичных бит этих линий, включая PAR, должно быть четным). Действительное значение PAR появляется на шине с задержкой в один такт относительно линий AD и С/ВЕ#. При обнаружении ошибки ЦУ вырабатывается сигнал PERR* (со сдвигом на такт после действительности бита паритета). В подсчете паритета при передаче данных учитываются все байты, включая и недействительные (отмеченные высоким уровнем сигнала С/ВЕх#). Состояние бит, даже и в недействительных байтах данных, во время фазы данных должно оставаться стабильным.
Каждая транзакция на шине должна быть завершена планово или прекращена, при этом шина должна перейти в состояние покоя (сигналы FRAME* и IRDY# пассивны). Завершение транзакции выполняется либо по инициативе ведущего устройства, либо по инициативе ПУ. Ведущее устройство может завершить транзакцию одним из следующих способов.
· Нормальное завершение ( Camletiori) выполняется по
окончании обмена данными.
· Завершение по тайм-ауту (Time-out) происходит, когда
во время транзакции у ведущего устройства отбирают право на управление шиной (снятием сигнала GNT#) и истекает время, указанное в его таймере Latency Timer. Это может случиться, если адресованное ЦУ оказалось непредвиденно медленным или запланирована слишком длинная транзакция. Короткие транзакции (с одной - двумя фазами данных) даже в случае снятия сигнала GNT# и срабатывания таймера завершаются нормально. Транзакция отвергается (Master-Abort), когда в течение заданного времени ведущее устройство не получает ответа ЦУ (DEVSEL*).
Транзакция может быть прекращена по инициативе ЦУ; для этого оно может ввести сигнал STOP*. Возможны три типа прекращения.
· Повтор (Retry) - сигнал STOP* вводится при пассивном
сигнале TRDY* до первой фазы данных. Эта ситуация возникает, когда ЦУ из-за внутренней занятости не успевает выдать первые данные в положенный срок (16 тактов). Повтор является указанием ведущему устройству на необходимость нового запуска той же транзакции.
· Отключение (Disconnect) - сигнал STOP* вводится во
время или после первой фазы данных. Если сигнал STOP* введен при активном сигнале TRDY* очередной фазы данных, то эти данные передаются и на том транзакция завершается. Если сигнал STOP* введен при пассивном сигнале TRDY*, то транзакция завершается без передачи данных очередной фазы. Отключение производится, когда ЦУ неспособно своевременно выдать или принять очередную порцию данных пакета.
· Отказ (Target-Abort) - сигнал STOP* вводится
одновременно со снятием сигнала DEVSEL* (в предыдущих случаях во время появление сигнала STOP* сигнал DEVSEL* был активен). После этого данные уже не передаются. Отказ вводится, когда ЦУ обнаруживает фатальную ошибку или иные условия, по которым оно уже никак не сможет обслужить данный запрос.
Использование трех типов прекращения вовсе не обязательно для всех ЦУ, однако любое ведущее устройство должно быть готово к завершению транзакций по любой из этих причин. В шине PCI принята географическая адресация — номер устройства определяется местом его подключения. Номер устройства (device number или dev) определяется той линией шины AD, к которой подключена линия сигнала IDSEL данного слота: kADU -devO(MOCT),AD12-devl,...AD31 -dev20. В соседних слотах PCI, как правило, задействуются соседние номера устройств; их нумерация определяется разработчиком системной платы (или пассивной кросс-платы в промышленных компьютерах). Часто для слотов используются убывающие номера устройств, начиная с 20. Группы соседних слотов могут подключаться к разным шинам; на каждой шине PCI нумерация устройств независимая (могут быть и устройства с совпадающими номерами dev, но разными номерами шин). Устройства PCI, интегрированные в системную плату, используют ту же систему адресации. Их номера «запаяны намертво», в то время как адреса карт расширения можно изменять перестановкой их в разные слоты. Одна карта PCI может содержать только одно устройство шины, к которой она подключается, поскольку ей в слоте выделяется только одна линия IDSEL Если на карте размещают несколько устройств (например, 4-портовая карта Ethernet), то на ней приходится устанавливать мост - тоже устройство PCI, к которому и обращаются по линии IDSEL, выделенной данной карте. Этот мост организует на карте дополнительную шину PCI, к которой можно подключить множество устройств.
С точки зрения обращения к пространствам памяти и ввода-вывода, географический адрес (номер шины и устройства) безразличен (не принимая во внимание разницу в производительности, связанную с подключением устройств к разным шинам PCI). Однако номер устройства определяет номер линии запроса прерывания, которой может пользоваться устройство. Подробнее об этом см. в п. 6.2.6, здесь же отметим, что на одной шине устройства с номерами, отличающимися друг от друга на 4, будут использовать одну и ту же линию прерывания. Возможность развести их по разным линиям прерывания может появиться лишь, если они находятся на разных шинах (это зависит от системной платы).
Разобраться с нумерацией устройств и полученных ими линий прерываний на конкретной плате можно просто: устанавливать одну карту PCI поочередно в каждый из слотов (отключая питание) и смотреть на сообщения об обнаруженных устройствах PCI, выводимых на дисплей в конце теста POST. В этих сообщениях будут фигурировать и устройства PCI, установленные непосредственно на системной плате (и не отключенные параметрами CMOS Setup).
Но чтобы не было иллюзий простоты и прозрачности, отметим, что «особо умные» операционные системы (Windows) не довольствуются полученными назначениями номеров прерывании и изменяют их по своему усмотрению (что никак не может отразиться на разделяемости линий).
