PCI总线与接口技术

1、PCI总线的发展历史

1990年，起源于Intel架构开发实验室，全称是Peripheral Component Interconnect，首先在服务器中使用，代替了原来的MCA以及EISA，EISA直到2000年才宣告退出历史舞台。直到1994年，才开始在PC上广泛使用，代替了原来的VESA。在1995年的中期，苹果电脑也开始使用PCI总线电气规范。后来PCI也增加了许多新的功能，比如66MHz，3.3V标准，以及133MHz的PCI-X。2004年，出现了PCI-Express，原来的PCI总线电气规范被称为了传统PCI（Conventional PCI）。

2、PCI总线地址空间

独立的内存以及IO接口，由软件分配。而另外一个地址空间-PCI配置空间（PCI Configuration Space），使用独立的地址，允许软件决定每一个连入的设备需要多少内存以及IO地址空间。通过设备配置空间寄存器的设置，每一个设备至多可以申请6个内存以及IO地址空间。PCI配置空间还包括了连入设备的相关信息，根据这些信息，操作系统可以方便地使用相应的驱动来使用这些设备。为了使PCI总线公平地使用PCI总线，提供了一种等待计时的功能，计时器在设备获得了总线使用权时以PCI时钟信号的速率开始计时，直到减为零，设备释放总线占有权。

3、关于PCI的中断

四个中断，属于电平触发方式（边沿触发方式的中断容易丢失）。单功能设备只是使用INTA#，多功能设备使用多个中断。四个中断通过PCI桥（两个PCI总线之间）映射到系统中断上，所以软件无从得知是那个PCI中断。后来的PCI加入了消息信号中断的机制，PCI-Express使用的也是消息信号中断机制，而没有物理中断线。

4、PCI电气规范

PCI卡的尺寸，长度为174.63mm，高度为36.068~106.68mm。一下是一幅PCI个引脚定义的图。

5、PCI设备的初始化

机器上电的时候，配置软件必须扫描PCI总线，确定有哪些PCI设备，然后加载相应的驱动程序。所有PCI设备都必须实现PCI协议规定必须的配置寄存器。而对PCI配置访问实际上就是访问设备的配置寄存器。

6、PCI配置空间

配置空间各项数据说明：

厂商识别码（Vendor ID）：标识设备的制造者，有PCI SIG来分配。0FFFH表示未配置任何设备。

设备识别码（Device ID）：标识特定的设备，具体代码由厂商分配。

版本ID，Revision ID：指定一个设备特有的版本号。

Class Code（分类代码）：用于设备分类。0BH处为基本分类代码；0A处为子分类代码；09H处为标识一个专用的寄存器级编程接口，便于设备的软件可以与设备交互数据。

命令寄存器（Command）：为发出和响应PCI总线命令提供了对设备粗略的控制。

状态寄存器（Status）：用于记录PCI总线有关操作的状态信息，系统对该寄存器的读操作无特殊要求。

基地址寄存器（Base Address Registers）：供地址映射使用，使PCI的IO映射以及内存映射与具体设备无关。

扩展ROM的基地址寄存器（Expansion ROM Base Address）：用来处理那些配置了局部EPROM或者Flash ROM的基地址和大小。Cache大小寄存器：用来指定系统中Cache行的长度，每个参加Cache协议的设备都要使用该寄存器。

延时计时器：该寄存器以PCI总线时钟为单位指定PCI总线主设备的延迟计时器。

内含自测寄存器：可选的寄存器，用作内含自测试的控制与状态寄存器。

中断引脚寄存器（Interrupt Pin）：用来表示设备使用了哪个PCI中断引脚。

中断线寄存器（Interrupt Line）：用来表示设备中的中断引脚与系统可编程控制器8259的哪个中断输入线相连接。

MAX_GNT表示设备需要多长的突发传输时间。MAX_LAT表示对PCI总线进行访问的频繁程度。

Card CIS Pointer：由在卡总线和PCI之间共享芯片的设备实现。

子系统厂商标识和子系统标识（Subsystem Vendor ID）：用于惟一地标识设备所驻留的插入卡和子系统。即插即用操作系统可以定位正确的驱动程序，装载到存储器。

7、PCI扩展ROM

通过执行扩展ROM存放的代码来完成与设备相关的初始化，同时也可能完成系统引导功能。该机制允许扩展ROM中含有几个不同的映像，以适应不同的机器和处理器结构。

凡是支持扩展ROM的设备，必须支持按任意字节组合方式对ROM进行访问，特别强调的是要支持双字（DWORD）访问。扩展ROM中的信息安排要与现有的适合于ISA和EISA以及MC适配器的Intel X86扩展ROM中的头标区兼容。头标区中所给信息经过了扩充，从而使适配器的功能进一步优化使用，从而可以使扩展ROM中的代码在运行期间所使用的存储空间最小。

PCI扩展ROM中代码从不在原地执行，而是将代码从ROM中拷贝到RAM中执行。这样可以在初始化和运行时动态地确定代码长度，并且能够改善代码的执行速度。

PCI对于不同的系统和处理器配置都应该包含其编码映像。每个映像由ROM首区（映像开始处）+数据配置区（映像的第64KB范围内）组成。

ROM首区内容

数据配置区

8、关于PCI设备的初始化

系统POST首先检查PCI设备在配置空间是否使用了扩展ROM基地址寄存器（即是否有扩展ROM），若使用了，POST将ROM映射到地址空间中一个未用的部分。

9、PCI BIOS

其主要作用有以下两点：

• 为应用软件或者PCI总线设备或者板卡提供服务调用。
• 初始化每个系统PCI设备。PCI BIOS轮流查询每个PCI插槽，查找存在的PCI设备，读取存在设备配置空间的头标区，以决定设备的厂商号，类型和存储需求等内容。并且将分配的I/O或存储空间地址回写到每个设备配置空间的基地址寄存器中。
• PCI BIOS调用的入口以及返回值说明，对80x86机器，调用功能号为1AH，入口参数在AX中，返回值在AH中。下面列举的是比较常用的，更多说明请参考PCI BIOS规则说明书。

• 下面是一个关于通过PCI BIOS调用读PCI配置寄存器的例子：
• 1. .386
  2. ;FUNCTIONCODE
  3. PCI_FUNCTION_ID=0B1H
  4. PCI_BIOS_PRESENT=01H
  5. FIND_PCI_DEVICE=02H
  6. FIND_PCI_CLASS_CODE=03H
  7. GENERATE_SPECIAL_CYCLE=06H
  8. READ_CONFIG_BYTE=08H
  9. READ_CONFIG_WORD=09H
  10. READ_CONFIG_DWORD=0AH
  11. WRITE_CONFIG_BYTE=0BH
  12. WRITE_CONFIG_WORD=0CH
  13. WRITE_CONFIG_DWORD=0DH
  14. GET_IRQ_ROUTING_OPTIONS=0EH
  15. SET_PCI_IRQ=0FH
  16. ;RETURNCODE
  17. SUCCESSFUL=00H
  18. FUNC_NOT_SUPPORTED=81H
  19. BAD_VENDOR_ID=83H
  20. DEVICE_NOT_FOUND=86H
  21. BAD_REGISTER_NUMBER=87H
  22. SET_FAILED=88H
  23. BUFFER_TOO_SMALL=89H
  25. VID=0H
  26. DID=2H
  27. PCICMD=4H
  28. PCISTS=6H
  29. RID=8H
  30. CLCD=9H
  31. CALN=0CH
  32. LAT=0DH
  33. HDR=0EH
  34. BIST=0FH
  35. BADR0=10H
  36. BADR1=14H
  37. BADR2=18H
  38. BADR3=1CH
  39. BADR4=20H
  40. BADR5=24H
  41. EXPOM=30H
  42. INTLN=3CH
  43. INTPIN=3DH
  44. MINGNT=3EH
  45. MAXLAT=3FH
  48. SSTACKSEGMENTSTACKPARAUSE16
  49. DW64DUP(?)
  50. SSTACKENDS
  52. DATASEGMENTPARAUSE16
  53. MESDBPCICARDNOTFOUND!$
  54. MES0DB***********************PCICONFIGINFO*****************************,13,10,$
  55. MES1DBPCIBIOSNOTFOUND!,10,13,$
  56. MES2DBPCICONFIGREADERROR!$
  57. MES3DBVendorIdentification:10E8$
  58. MES4DBDeviceIdentification:5933$
  59. MES5DBPCICommandRegister:$
  60. MES6DBPCIStatusRegister:$
  61. MES7DBRevisionIdentificationRegister:$
  62. MES8DBClassCodeRegister:$
  63. MES9DBCacheLineSizeRegister:$
  64. MES10DBMasterLatencyTimer:$
  65. MES11DBHeaderType:$
  66. MES12DBBuilt-inSelf-test:$
  67. MES13DBBaseAddressRegister0:$
  68. MES14DBBaseAddressRegister1:$
  69. MES15DBBaseAddressRegister2:$
  70. MES16DBBaseAddressRegister3:$
  71. MES17DBBaseAddressRegister4:$
  72. MES18DBBaseAddressRegister5:$
  73. MES19DBExpansionRomBaseAddress:$
  74. MES20DBInterruptLine:$
  75. MES21DBInterruptPin:$
  76. MES22DBMinimumGrant:$
  77. MES23DBMaximumLatency:$
  79. BNDB?
  80. DN_FNDB?
  81. R_VALUEDD?
  82. V_VIDDW?
  83. V_DIDDW?
  84. V_PCICMDDW?
  85. V_PCISTSDW?
  86. V_RIDDB?
  87. V_CLCDDD?
  88. V_CALNDB?
  89. V_LATDB?
  90. V_HDRDB?
  91. V_BISTDB?
  92. V_BADR0DD?
  93. V_BADR1DD?
  94. V_BADR2DD?
  95. V_BADR3DD?
  96. V_BADR4DD?
  97. V_BADR5DD?
  98. V_EXPOMDD?
  99. V_INTLNDB?
  100. V_INTPINDB?
  101. V_MINGNTDB?
  102. V_MAXLATDB?
  103. DATAENDS
  105. CODESEGMENTPARAUSE16
  106. ASSUMECS:CODE,DS:DATA,SS:SSTACK
  108. START:MOVAX,DATA
  109. MOVDS,AX
  111. MOVAX,0B101H;查找PCIBIOS
  112. INT1AH
  114. JNCJUDGE1;如果CF被置位,则PCIBIOS不存在
  115. MOVDX,OFFSETMES1;显示不存在信息
  116. MOVAH,09H
  117. INT21H
  118. JMPEXIT
  120. JUDGE1:CMPAH,00H
  121. JZJUDGE2;如果不等,则PCIBIOS不存在
  122. MOVDX,OFFSETMES1;显示不存在信息
  123. MOVAH,09H
  124. INT21H
  125. JMPEXIT
  127. JUDGE2:CMPEDX,ICP;如果EDX中放的是"PCI"则说明PCIBIOS存在
  128. JZFIND
  129. MOVDX,OFFSETMES1;否则错误的设备
  130. MOVAH,09H
  131. INT21H
  132. JMPEXIT
  134. FIND:MOVAX,0B102H;找到了PCIBIOS,再查找指定PCI设备
  135. MOVCX,5933H;板卡的设备的ID
  136. MOVDX,10E8H;板卡的供应商ID
  137. MOVSI,0;索引
  138. INT1AH
  139. JNCREAD
  141. MOVDX,OFFSETMES
  142. MOVAH,09H
  143. INT21H
  144. JMPEXIT
  146. READ:MOVBN,BH;保存总线号
  147. MOVDN_FN,BL;保存设备号
  149. CALLKENTER;回车换行
  150. MOVDX,OFFSETMES0
  151. MOVAH,09H
  152. INT21H
  154. CALLKENTER;回车换行
  155. MOVDX,OFFSETMES3;输出供应厂商ID
  156. MOVAH,09H
  157. INT21H
  159. CALLKENTER
  160. MOVDX,OFFSETMES4;输出设备的ID
  161. MOVAH,09H
  162. INT21H
  164. CALLKENTER
  165. MOVAX,0B109H;读命令寄存器，单字操作
  166. MOVBH,BN
  167. MOVBL,DN_FN
  168. MOVDI,PCICMD
  169. INT1AH
  170. JCERROR
  171. MOVDX,OFFSETMES5;显示PCI命令寄存器内容
  172. MOVAH,09H
  173. INT21H
  174. MOVAX,02H
  175. CALLSHOW
  177. CALLKENTER
  178. MOVAX,0B109H;读PCI状态寄存器内容，单字操作
  179. MOVBH,BN
  180. MOVBL,DN_FN
  181. MOVDI,PCISTS
  182. INT1AH
  183. JCERROR
  184. MOVDX,OFFSETMES6;显示状态寄存器内容
  185. MOVAH,09H
  186. INT21H
  187. MOVAX,02H
  188. CALLSHOW
  190. CALLKENTER
  191. MOVAX,0B108H;版本号，单字节操作
  192. MOVBH,BN
  193. MOVBL,DN_FN
  194. MOVDI,RID
  195. INT1AH
  196. JCERROR
  197. MOVDX,OFFSETMES7;显示版本号
  198. MOVAH,09H
  199. INT21H
  200. MOVAX,01H
  201. CALLSHOW
  203. CALLKENTER
  204. MOVAX,0B108H;读中断引脚信号，单字节操作
  205. MOVBH,BN
  206. MOVBL,DN_FN
  207. MOVDI,INTLN
  208. INT1AH
  209. JCERROR
  210. MOVDX,OFFSETMES20;显示中断引脚
  211. MOVAH,09H
  212. INT21H
  213. MOVAX,01H
  214. CALLSHOW
  216. CALLKENTER
  217. MOVAX,0B10AH;读配置寄存器，双字操作
  218. MOVBH,BN;PCI设备的总线号
  219. MOVBL,DN_FN;设备以及功能号，入口参数
  220. MOVDI,BADR0
  221. INT1AH
  222. JCERROR
  223. MOVDX,OFFSETMES13;基址寄存器0
  224. MOVAH,09H
  225. INT21H
  226. MOVAX,04H
  227. CALLSHOW
  229. CALLKENTER
  230. MOVAX,0B10AH;读配置寄存器，双字操作
  231. MOVBH,BN;PCI设备的总线号
  232. MOVBL,DN_FN;设备及功能号，入口参数
  233. MOVDI,BADR1
  234. INT1AH
  235. JCERROR
  236. PUSHECX
  237. MOVDX,OFFSETMES14;基址寄存器1
  238. MOVAH,09H
  239. INT21H
  240. MOVAX,04H
  241. POPECX
  242. CALLSHOW
  244. CALLKENTER
  245. MOVAX,0B10AH;读配置寄存器，双字操作
  246. MOVBH,BN;PCI设备的总线号
  247. MOVBL,DN_FN;设备及功能号，入口参数
  248. MOVDI,BADR2
  249. INT1AH
  250. JCERROR
  251. MOVDX,OFFSETMES15;基地址寄存器2
  252. MOVAH,09H
  253. INT21H
  254. MOVAX,04H
  255. CALLSHOW
  257. CALLKENTER
  258. MOVAX,0B10AH;读配置寄存器，双字操作
  259. MOVBH,BN;PCI设备的总线号
  260. MOVBL,DN_FN;设备及功能号，入口参数
  261. MOVDI,BADR3
  262. INT1AH
  263. JCERROR
  264. MOVDX,OFFSETMES16;基地址寄存器3
  265. MOVAH,09H
  266. INT21H
  267. MOVAX,04H
  268. CALLSHOW
  270. CALLKENTER
  271. MOVAX,0B10AH;读配置寄存器，双字操作
  272. MOVBH,BN;PCI设备的总线号
  273. MOVBL,DN_FN;设备及功能号，入口参数
  274. MOVDI,BADR4
  275. INT1AH
  276. JCERROR
  277. MOVDX,OFFSETMES17;基地址寄存器4
  278. MOVAH,09H
  279. INT21H
  280. MOVAX,04H
  281. CALLSHOW
  283. JMPEXIT
  284. ERROR:CALLKENTER
  285. MOVDX,OFFSETMES2;显示读错误信息
  286. MOVAH,09H
  287. INT21H
  288. EXIT:MOVAH,4CH;返回DOS
  289. INT21H
  291. KENTERPROC
  292. MOVDL,0AH
  293. MOVAH,02H
  294. INT21H
  295. MOVDL,0DH
  296. MOVAH,02H
  297. INT21H
  298. RET
  299. KENTERENDP
  301. SHOWPROCNEAR;显示子程序
  302. PUSHDX
  303. PUSHDI
  304. PUSHBX
  305. MOVDI,OFFSETR_VALUE
  306. MOV[DI],ECX;保存获取的数据
  307. ADDDI,AX
  308. DECDI
  309. MOVCX,AX
  310. C1:MOVAL,[DI]
  311. PUSHAX
  312. SHRAL,4
  313. ANDAL,0FH;取高4位
  314. CMPAL,0AH;是否是A以上的数
  315. JBC2
  316. ADDAL,07H
  317. C2:ADDAL,30H
  318. MOVBH,AL
  319. POPAX
  320. ANDAL,0FH;取低4位
  321. CMPAL,0AH
  322. JBC3
  323. ADDAL,07H
  324. C3:ADDAL,30H
  325. MOVBL,AL
  327. MOVAH,2;显示十六进制数对应的ACSII码
  328. MOVDL,BH
  329. INT21H
  330. MOVDL,BL
  331. INT21H
  332. DECDI
  333. LOOPC1
  334. POPBX
  335. POPDI
  336. POPDX
  337. RET
  338. SHOWENDP
  339. CODEENDS
  340. ENDSTART