19. Шина PCI: организация и функционирование. Шина PCI Express: организация.

Шина PCI

• 32- или 64-разрядная
• 33 или 66 МГц.
• При 33 МГц – 133 МБайт/с.
• 64-битная PCI при 66 МГц – 528 МБайт/с.

Сигналы шины PCI

Обязательные включают 5 групп:

1. cистемные
2. адреса/данных, команд
3. управления транзакциями
4. сигналы арбитража
5. сигналы уведомления об ошибках

Опциональные

Системные сигналы

• Clk – сигнал синхронизации
• Rst – сигнал сброса. Переводит систему в начальное состояние.

Сигналы адреса и данных, Командные сигналы

• Address/Data Bus (AD[0-31]) – 32 линии, которые мультиплексированы для передачи адреса и данных в разные моменты времени. 1 такт требуется для изменения направления передачи данных.
• Command Bus(C/BE [0-3]) – 4-битная шина, мультиплексированная для передачи команд и сигналов разрешения бита (BE). Обычно, в ходе фазы адреса, тип транзакции идентифицируется командой (чтение памяти, запись в память и т. д.), передаваемой по этим линиям. В ходе фазы данных 4 бита идентифицируют, какие из байтов данных будут передаваться (валидны).
• Parity Signal (PAR) – это линия четности (четность числа 1 на AD и C/BE).

Сигналы управления транзакциями

• FRAME (Кадр цикла) – мастер (ведущее устройство) устанавливает сигнал для указания валидности передаваемых по AD, C/BE данных. Сигнал удерживается до окончания последней фазы данных транзакции.
• IRDY (Initiator Ready) – мастер управляет этим сигналом. В ходе транзакции записи этот сигнал указывает, что мастер поместил данные на линию AD. В ходе транзакции чтения установка сигнала указывает, что мастер готов к приему данных.
• Target Ready (TRDY) – выбранное подчиненное устройство управляет этим сигналом. Это сигнал готовности подчиненного, он дополняет сигнал готовности мастера. IRDY и TRDY используются для реализации рукопожатия в ходе передачи данных. В случае транзакции записи подчиненный устанавливает сигнал, чтобы показать, что он готов принимать данные. В ходе транзакции чтения подчиненный использует этот сигнал для указания валидности данных на шине AD. Для передачи данных оба сигнала должны быть установлены. В противном случае будут вставляться пустые циклы.
• Stop Transaction (STOP) – выбранное подчиненное устройство управляет этим сигналом. Оно устанавливает его для предупреждения мастера о том, что хочет прекратить транзакцию.
• Initialization Device Select (IDSEL) – используется в качестве сигнала выбора микросхемы для чтения/записи конфигурации.
• Device Select (DEVSEL) – выбранное подчиненное устройство устанавливает этот сигнал для указания мастеру, что подчиненное присутствует.
• Bus Lock (LOCK) – мастер использует этот сигнал для удержания подчиненного устройства при выполнении атомарной транзакции (например, инструкций проверки-и-установки, используемой в семафорах).

Сигналы арбитража

• Bus Request (REQ) – если устройство собирается использоватьшину, оно устанавливает сигнал REQ.
• Bus Grant (GNT) – этот сигнал устанавливается арбитром для указания, что устройство может использовать шину для следующей транзакции.

Сигналы уведомления об ошибках

• Parity Error (PERR) – сигнал указывает на наличие ошибки четности данных, обнаруженной подчиненным устройством в ходе фазы записи данных или мастером в ходе фазы чтения.
• System Error (SERR) – указывает на наличие ошибки четности адреса или другой критической ошибки.

Опциональные сигналы

Сигналы 64-битного расширения:

1. Address/Data Lines (AD[32 to 63]): представляют собой расширение базовых 32-битных
   линий адреса/данных.
2. Command Bus (C/BE[4 to 7]): в ходе фазы адреса могут использоваться для передачи дополнительных команд. В ходе фазы данных – валидность дополнительных байтов.
3. Request 64-bit Transfer (REQ64): Мастер генерирует этот сигнал для указания подчиненному, что предпочитает 64-битные передачи. Работает, как FRAME.
4. Acknowledge 64-bit Transfer (ACK64): Подчиненное устройство в ответ на REQ64 устанавливает этот сигнал, указывая, что способно принимать 64-разрядные данные. Аналогично DEVSEL.
5. Parity Bit For Upper Data (PAR64): бит четности для добавленных линий шин AD и C/BE.
6. Interrupt Request Line (INTA, INTB, INTC, INTD): запросы прерываний. У каждого устройства есть собственный набор таких линий, идущих к контроллеру прерываний.

Операции PCI

1) Операции ввода/вывода: чтение, запись.
2) Операции с памятью:
2.1) стандартные операции с памятью: чтение/запись;
2.2) блочные операции с памятью:
Mem Read Line – чтение линии данных (больше двойного слова, не больше строки кэша). Для предвыборки.
Mem Read Multiple – чтение нескольких линий (как предыдущая, но пересекает границы строки кэша).
Mem Write-and-Invalidate – запись с передачей целой строки кэша за раз.
3) Конфигурационные операции: запись и чтение конфигурации (для plug-and-play).
4) Вспомогательные операции:
4.1) Команда специального цикла: широковещание команды среди всех подчиненных завершение или сброс, shutdown, halt).
4.2) Команда сдвоенного цикла адреса: позволяет 32-битному мастеру использовать 64-битные адреса, передаваемые за 2 цикла.

Арбитраж шины PCI

• Централизованный арбитраж;
• Отдельные линии запроса и разрешения, а также отдельные линии прерываний для каждого устройства;
• Настраиваемые политики назначения.
• Политики освобождения: обычно используется политика без упреждения (транзакционная); если несколько передач от одного устройства при отсутствии передач от других устройств, то политика без упреждения (по требованию); для особо длительных транзакций – политика с упреждением.

PCI Express

Технология PCI Express является открытым стандартом и разработана с расчетом на разнообразные применения – от полной замены шин PCI и PCI-X внутри настольных и серверных компьютеров, до использования в мобильных, встроенных и коммуникационных устройствах.

• Первая спецификация появилась в 2002 году.
• Частота – 2,5 ГГц.
• Пропускная способность 1 линии в одну сторону:

1. PCIe 1.0 – 2 Гбит/с, частота 2,5 ГГц
2. PCIe 2.0 – 4 Гбит/с , частота 5 ГГц
3. PCIe 3.0 – 8 Гбит/с , частота 8 ГГц
4. PCIe 4.0 – 16 Гбит/с

Архитектура PCI Express

• Замена параллельной шины двухточечными последовательными соединениями.
• Вводится коммутатор, который подключается к мосту.
• Между каждой микросхемой ввода/вывода и коммутатором устанавливается двухточечное соединение, состоящее из двух однонаправленных каналов – по одному в каждом направлении.
• Канал состоит из двух проводов, реализующих разностный сигнал (differential signaling).

Отличия от PCI

1. Наличие централизованного коммутатора, пришедшего на смену многоотводной шине.
2. Применение узких последовательных двухточечных соединений вместо широкой параллельной шины.
3. Вместо передачи команд шина использует передачу пакетов. Пакет включает заголовок и полезную нагрузку. Заголовок содержит управляющую информацию (поэтому можно отказаться от управляющих сигналов). Полезная нагрузка содержит передаваемые данные. Шина представляет собой сеть с коммутацией пакетов.
4. Более надежный код исправления ошибок.
5. Увеличена длина соединения между микросхемой и коммутатором, что позволяет легче изменять положение компонентов системы.
6. Расширяемость путем добавления новых коммутаторов.
7. Горячее подключение.
8. Минимизация габаритов.