第I篇PCI体系结构概述

PCI(Peripheral Component Interconnect)总线的诞生与PC(Personal Computer)的蓬勃发展密切相关。在处理器体系结构中，PCI总线属于局部总线(Local Bus)。局部总线作为系统总线的延伸，主要功能是为了连接外部设备。

处理器主频的不断提升，要求速度更快，带宽更高的局部总线。起初PC使用8位的XT总线作为局部总线，并很快升级到16位的ISA(Industry Standard Architecture)总线，逐步发展到32位的EISA(Extended Industry Standard Architecture)、VESA(Video Electronics Standards Association)和MCA(Micro Channel Architecture)总线。

PCI总线规范在上世纪九十年代提出。这条总线推出之后，很快得到了各大主流半导体厂商的认同，迅速统一了当时并存的各类局部总线。EISA、VESA等其他32位总线很快就被PCI总线淘汰了。从那时起，PCI总线一直在处理器体系结构中占有重要地位。

在此后相当长的一段时间里，PC处理器系统的大多数外部设备都是直接或者间接地与PCI总线相连。即使目前PCI Express总线逐步取代了PCI总线成为PC局部总线的主流，也不能掩盖PCI总线的光芒。从软件层面上看，PCI Express总线与PCI总线基本兼容；从硬件层面上看，PCI Express总线在很大程度上继承了PCI总线的设计思路。因此PCI总线依然是软硬件工程师在进行处理器系统的开发与设计时，必须要掌握的一条局部总线。

PCI总线V1.0规范仅针对在一个PCB(Printed Circuit Board)环境内的，器件之间的互连，而1993年4月30日发布的V2.0规范增加了对PCI插槽的支持。1995年6月1日，PCI V2.1总线规范发布，这个规范具有里程碑意义。正是这个规范使得PCI总线大规模普及，至此PCI总线完成了对(E)ISA和MCA总线的替换。

至1996年，VESA总线也逐渐离开了人们的视线，当然PCI总线并不能完全提供显卡所需要的带宽，真正替代VESA总线的是AGP总线。随后PCISIG(PCI Special Interest Group)陆续发布了PCI总线V2.2，V2.3规范，并最终将PCI总线规范定格在V3.0。

除了PCI总线规范外，PCISIG还定义了一些与PCI总线相关的规范，如PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association)规范和MiniPCI规范。其中PCMCIA规范主要针对Laptop应用，后来PCMCIA升级为PC Card(Cardbus)规范，而PC Card又升级为ExpressCard规范。

PC Card规范基于32位，33MHz的PCI总线；而ExpressCard规范基于PCI Express和USB 2.0。这两个规范都在Laptop领域中获得了成功。除了PCMCIA规范外，Mini PCI总线也非常流行，与标准PCI插槽相比，Mini PCI插槽占用面积较小，适用于一些对尺寸有要求的应用。

除了以上规范之外，PCISIG还推出了一系列和PCI总线直接相关的规范。如PCI-to-PCI桥规范、PCI电源管理规范、PCI热插拔规范和CompactPCI总线规范。其中PCI-to-PCI桥规范最为重要，理解PCI-to-PCI桥是理解PCI体系结构的基础；而CompactPCI总线规范多用于具有背板结构的大型系统，并支持热拔插。

PCISIG在PCI总线规范的基础上，进一步提出PCI-X规范。与PCI总线相比，PCI-X总线规范可以支持133MHz、266MHz和533MHz的总线频率，并在传送规则上做了一些改动。虽然PCI-X总线还没有得到大规模普及就被PCI Express总线替代，但是在PCI-X总线中提出的许多设计思想仍然被PCI Express总线继承。

PCI总线规范是Intel对PC领域做出的一个巨大贡献。Intel也在PCI总线规范留下了深深的印记，PCI总线规范的许多内容都与基于IA (Intel Architecture)架构的x86处理器密切相关。但是这并不妨碍其他处理器系统使用PCI总线，事实上PCI总线在非x86处理器系统上也取得了巨大的成功。目前绝大多数处理器系统都使用PCI/PCI Express总线连接外部设备，特别是一些通用外设。

随着时间的推移，PCI和PCI-X总线逐步遇到瓶颈。PCI和PCI-X总线使用单端并行信号进行数据传递，由于单端信号容易被外部系统干扰，其总线频率很难进一步提高。目前，为了获得更高的总线频率以提高总线带宽，高速串行总线逐步替代了并行总线。PCI Express总线也逐渐替代PCI总线成为主流。但是从系统软件的角度上看，PCI Express总线仍然基于PCI总线。理解PCI Express总线的一个基础是深入理解PCI总线，同时PCI Express总线也继承了PCI总线的许多概念。本篇将详细介绍与处理器体系结构相关的，一些必备的PCI总线知识。

为简化起见，本篇主要介绍PCI总线的32位地址模式。在实际应用中，使用64位地址模式的PCI设备非常少。而且在PCI Express总线逐渐取代PCI总线的大趋势之下，将来也很难会有更多的，使用64位地址的PCI设备。如果读者需要掌握PCI总线的64位地址模式，请自行阅读PCI总线的相关规范。实际上，如果读者真正掌握了PCI总线的32位地址模式之后，理解64位地址模式并不困难。

为节省篇幅，下文将PCI Express总线简称为PCIe总线，PCI-to-PCI桥简称为PCI桥，PCI Express-to-PCI桥简称为PCIe桥，Host-to-PCI主桥简称为HOST主桥。值得注意的是许多书籍将HOST主桥称为PCI主桥或者PCI总线控制器。