link980 link981 link982 link983 link984 link985 link986 link987 link988 link989 link990 link991 link992 link993 link994 link995 link996 link997 link998 link999 link1000 link1001 link1002 link1003 link1004 link1005 link1006 link1007 link1008 link1009 link1010 link1011 link1012 link1013 link1014 link1015 link1016 link1017 link1018 link1019 link1020 link1021 link1022 link1023 link1024 link1025 link1026 link1027 link1028 link1029 link1030 link1031 link1032 link1033 link1034 link1035 link1036 link1037 link1038 link1039 link1040 link1041 link1042 link1043 link1044 link1045 link1046 link1047 link1048 link1049 link1050 link1051 link1052 link1053 link1054 link1055 link1056 link1057 link1058 link1059 link1060 link1061 link1062 link1063 link1064 link1065 link1066 link1067 link1068 link1069 link1070 link1071 link1072 link1073 link1074 link1075 link1076 link1077 link1078 link1079 link1080 link1081 link1082 link1083 link1084 link1085 link1086 link1087 link1088 link1089 link1090 link1091 link1092 link1093 link1094 link1095 link1096 link1097 link1098 link1099 link1100 link1101 link1102 link1103 link1104 link1105 link1106 link1107 link1108 link1109 link1110 link1111 link1112 link1113 link1114 link1115 link1116 link1117

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

PCI и PCI-X

Мосты PCI и PCI-X

Общая информация

Мосты PCI (PCI Bridge) — специальные аппаратные средства соединения шин PCI (и PCI-X) между собой и с другими шинами. Главный мост (Host Bridge) используется для подключения PCI к центру компьютера (системной памяти и процессору). «Почетной обязанностью» главного моста является генерация обращений к конфигурационному пространству под управлением центрального процессора, что позволяет хосту (центральному процессору) выполнять конфигурирование всей подсистемы шин PCI. В системе может быть и несколько главных мостов, что позволяет предоставить высокопроизводительную связь с центром большему числу устройств (число устройств на одной шине ограниченно). Из этих шин одна назначается условно главной (bus 0).

Равноранговые мосты PCI (PeertoPeer Bridge) используются для подключения дополнительных шин PCI. Эти мосты всегда вносят дополнительные накладные расходы на передачу данных, так что эффективная производительность при обмене устройства с центром снижается с каждым встающим на пути мостом.

Для подключения шин PCMCIA, CardBus, MCA, ISA/EISA, X-Bus и LPC используются специальные мосты, входящие в чипсеты системных плат или же являющиеся отдельными устройствами PCI (микросхемами). Эти мосты выполняют преобразование интерфейсов соединяемых ими шин, синхронизацию и буферизацию обменов данных.

Каждый мост программируется — ему указываются диапазоны адресов в пространствах памяти и ввода-вывода, отведенные устройствам его шин. Если адрес ЦУ текущей транзакции на одной шине (стороне) моста относится к шине противоположной стороны, мост транслирует транзакцию на соответствующую шину и обеспечивает согласование протоколов шин. Таким образом, совокупность мостов PCI выполняет маршрутизацию (routing) обращений по связанным шинам. Если в системе имеется несколько главных мостов, то сквозная маршрутизация между устройствами разных шин может оказаться невозможной: главные мосты друг с другом могут оказаться связанными лишь через магистральные пути контроллера памяти. Поддержка трансляции всех типов транзакций PCI через главные мосты в этом случае оказывается чересчур сложной, а потому спецификацией PCI строго и не требуется. Таким образом, все активные устройства всех шин PCI могут обращаться к системной памяти, но возможность равнорангового общения может оказаться в зависимости от принадлежности этих устройств той или иной шине PCI. 

Применение мостов PCI предоставляет такие возможности, как:

  • увеличение возможного числа подключенных устройств, преодолевая ограничения электрических спецификаций шины;
  • разделение устройств PCI на сегменты — шины PCI — с различными характеристиками разрядности (32/64 бит), тактовой частоты (33/66/100/133 МГц), протокола (PCI, PC-X Mode 1, PCI-X Mode 2, PCI Express). На каждой шине все абоненты равняются на самого слабого участника; правильная расстановка устройств по шинам позволяет с максимальной эффективностью использовать возможности устройств и системной платы;
  • организация сегментов с «горячим» подключением/отключением устройств;
  • организация одновременного параллельного выполнения транзакций от инициаторов, расположенных на разных шинах.

Каждый мост PCI соединяет только две шины: первичную (primary bus), находящуюся ближе к вершине иерархии, с вторичной (secondary bus); интерфейсы моста, которыми он связан с этими шинами, называются соответственно первичным и вторичным. Допускается только чисто древовидная конфигурация, то есть две шины соединяются друг с другом лишь одним мостом и нет «петель» из мостов. Шины, подсоединяемые ко вторичному интерфейсу данного моста другими мостами, называются подчиненными (subordinated bus). Мосты PCI образуют иерархию шин PCI, на вершине которой находится главная шина с нулевым номером, подключенная к главному мосту. Если главных мостов несколько, то из их шин (равных друг другу по рангу) условно главной будет шина, которой назначен нулевой номер.

Мост должен выполнять ряд обязательных функций:

  • обслуживать шину, подключенную к его вторичному интерфейсу:
  •      выполнять арбитраж — прием сигналов запроса REQx# от ведущих устройств шины и предоставление им права на управление шиной сигналами GNTx#
  •      парковать шину — подавать сигнал GNTx# какому-то устройству, когда управление шиной не требуется ни одному из задатчиков;
  •      генерировать конфигурационные циклы типа 0 с формированием индивидуальных сигналов IDSEL к адресуемому устройству PCI;
  •      «подтягивать» управляющие сигналы к высокому уровню;
  •      определять возможности подключенных устройств и выбирать удовлетворяющий их режим работы шины (частота, разрядность, протокол);
  •      формировать аппаратный сброс (RST#) по сбросу от первичного интерфейса и по команде, сообщая о выбранном режиме специальной сигнализацией.
  • поддерживать карты ресурсов, находящихся по разные стороны моста;
  • отвечать под видом целевого устройства на транзакции, инициированные мастером на одном интерфейсе и адресованные к ресурсу, находящемся со стороны другого интерфейса; транслировать эти транзакции на другой интерфейс, выступая в роли ведущего устройства (мастера), и передавать их результаты истинному инициатору.

Мосты, выполняющие данные функции, называются прозрачными (transparrent bridge); для работы с устройствами, находящимися за такими мостами, не требуется дополнительных драйверов моста. Именно такие мосты описаны в спецификации PCI Bridge 1.1, и для них, как устройств PCI, есть специальный класс (06). В данном случае подразумевается «плоская» модель адресации ресурсов (памяти и ввода-вывода): каждое устройство имеет свои адреса, уникальные (не пересекающиеся с другими) в пределах данной системы (компьютера).

Существуют и непрозрачные мосты (non-transparrent bridge), которые позволяют организовывать обособленные сегменты со своими локальными адресными пространствами. Непрозрачный мост выполняет трансляцию (преобразование) адресов для транзакций, у которых инициатор и целевое устройство находятся по разные стороны моста. Досягаемыми через такой мост могут быть и не все ресурсы (диапазоны адресов) противоположной стороны. Непрозрачные мосты используются, например, когда в компьютере выделяется подсистема «интеллигентного ввода-вывода» (I20) со своим процессором ввода-вывода и локальным адресным пространством.



Маршрутизация по иерархическому адресу

Задача маршрутизации — определение, где по отношению к мосту находится ресурс, адресованный каждой транзакции, — является первоочередной при обработке каждой транзакции, «увиденной» мостом на любом из своих интерфейсов. Эта задача решается двояко, поскольку в фазе адреса может передаваться как иерархический адрес PCI (шина -> устройство -> функция), так и «плоский» адрес памяти или порта ввода-вывода. 

Маршрутизация по иерархическому адресу

Через номера шины и устройства адресуются транзакции конфигурационной записи и чтения, генерации специального цикла, а в PCI-X еще и завершение расщепленной транзакции, а также сообщения DIM. Для этих транзакций маршрутизация основана на системе нумерации шин. Номера назначаются шинам PCI при конфигурировании системы строго последовательно, номера мостов соответствуют номерам их вторичных шин. Так, главный мост имеет номер 0. Номера подчиненных шин моста начинаются с номера, следующего за номером его вторичной шины. Таким образом, для каждого моста необходимые ему знания топологии шин системы описываются списком номеров шин — тремя числовыми параметрами в его конфигурационном пространстве:

  • Primary Bus Number — номер первичной шины;
  • Secondary Bus Number — номер вторичной шины (это и номер моста);
  • Subordinate Bus Number — максимальный номер подчиненной шины.

Все шины с номерами в диапазоне от Secondary Bus Number до Subordinate Bus Number включительно будут лежать со стороны вторичного интерфейса, все остальные — на стороне первичного.

Знание номеров шины позволяет мостам распространять обращения к конфигурационным регистрам устройств в сторону от хоста к подчиненным шинам и распространять специальные циклы во всех направлениях. Ответы на расщепленные транзакции (Split Complete) мост транслирует с одного интерфейса на другой, если они адресованы к шине противоположного интерфейса.

Конфигурационные циклы типа 0 и специальные циклы мостами не транслируются. Конфигурационные транзакции типа 1, обнаруженные на первичном интерфейсе, мост обрабатывает следующим образом:

  • Преобразует их в конфигурационные циклы типа 0 или специальные циклы, если номер шины (на линиях AD[23:16]) соответствует номеру вторичной шины. При преобразовании в цикл типа 0 номер устройства с первичной шины, полученный в фазе адреса, декодируется в позиционный код на вторичной шине (см. главу 2), номер функции и регистра передается без изменений, биты AD[1:0] на вторичной шине обнуляются. В PCI-X кроме позиционного кода на вторичную шину передается и номер устройства. Преобразование в специальный цикл (изменение кода команды) производится, если в полях номера устройства и функции все биты единичные, а в поле номера регистра — нулевые.
  • Пропускает их с первичного интерфейса на вторичный без изменения, если номер шины соответствует диапазону номеров подчиненных шин.
  • Игнорирует, если номер шины лежит вне диапазона номеров шин стороны вторичного интерфейса.

Со стороны вторичного интерфейса мост передает на первичный только конфигурационные циклы типа 1, относящиеся к специальным циклам (в полях номера устройства и функции все биты единичные, а в поле номера регистра — нулевые). Если номер шины соответствует номеру первичной шины, мост преобразует эту транзакцию в специальный цикл.

Если конфигурационный цикл не воспринимается ни одним из устройств, мосты могут эту ситуацию отрабатывать двояко: фиксировать отсутствие устройства (сработает Master Abort) или же выполнять операции вхолостую. Однако в любом случае чтение конфигурационного регистра несуществующего устройства (функции) должно возвращать значение FFFFFFFFh (это будет безопасной информацией, поскольку даст недопустимое значение идентификатора устройства).



Маршрутизация по «плоскому» адресу

Для манипулирования с транзакциями обращения к памяти и портам ввода-вывода мосту нужны карты адресов, на которых отмечены области, принадлежащие устройствам вторичной и подчиненных шин. В системе с плоской уникальной адресацией этого достаточно. Для отмеченных областей мост должен отвечать в качестве целевого устройства на транзакции, «увиденные» им на первичном интерфейсе, и инициировать их в роли мастера на вторичном интерфейсе; остальные транзакции на первичном интерфейсе он игнорирует. Для адресов вне этих областей мост должен вести себя «зеркально»: отвечать в качестве целевого устройства на транзакции, «увиденные» им на вторичном интерфейсе, и инициировать их на первичном интерфейсе; остальные транзакции на вторичном интерфейсе он игнорирует. Каким образом мост транслирует транзакции, описано далее.

Каждый мост PCI-PCI имеет по одному описателю на каждый из трех типов ресурсов: ввода-вывода, «настоящей» памяти (допускающей предвыборку) и памяти, на которую отображены регистры ввода-вывода. В описателе указывается базовый адрес и размер области. Ресурсы одного типа для всех устройств, находящихся за мостом (на вторичной и всех подчиненных шинах), должны быть собраны в одну, по возможности компактную, область.

Область адресов вводавывода задается 8-битными регистрами I/O Base и I/O Limit с гранулярностью 4 Кбайт. Эти регистры своими старшими битами определяют только 4 старших бит 16-разрядного адреса начала и конца транслируемой области. Младшие 12 бит для I/O Base подразумеваются 000h, для I/O Limit — FFFh. Если на вторичной стороне моста нет портов ввода-вывода, то в I/O Limit записывается число меньшее, чем в I/O Base. Если мост не поддерживает карту адресов ввода-вывода, то оба регистра при чтении всегда возвращают нули; такой мост транзакции ввода-вывода с первичной на вторичную сторону не транслирует. Если мост поддерживает только 16-битную адресацию ввода-вывода, то при чтении в младших 4 бит обоих регистров всегда возвращает нули. При этом подразумевается, что старшие биты адресов AD[31:16] = 0, но они также подлежат декодированию. Если мост поддерживает 32-битную адресацию ввода-вывода, то при чтении в младших четырех битах обоих регистров возвращается 0001. При этом старшие 16 бит нижней и верхней границ находятся в регистрах I/O Base Upper 16 Bits и I/O Limit Upper 16 Bits.

Мост транслирует транзакции ввода-вывода указанной области с первичного интерфейса на вторичный только при установленном бите I/O Space Enable в регистре команд. Транзакции ввода-вывода со вторичного интерфейса на первичный транслируются только при установленном бите Bus Master Enable.

Вводвывод, отображенный на память, может использовать адреса в пределах первых 4 Гбайт (предел 32-битной адресации) с гранулярностью 1 Мбайт. Транслируемая область задается регистрами Memory Base (начальный адрес) и Memory Limit (конечный адрес), в которых задаются только старшие 12 бит адреса AD[31:20], младшие биты AD[19:0] подразумеваются равными 0 и FFFFFh соответственно. Кроме того, транслироваться может и область памяти VGA .

«Настоящая» память устройств PCI, допускающая предвыборку, может располагаться как в пределах 32-битной адресации (4 Гбайт), так и 64-битной, с гранулярностью 1 Мбайт. Транслируемая область задается регистрами Prefetchable Memory Base (начальный адрес) и Prefetchable Memory Limit (конечный адрес). Если в младших битах [3:0] этих регистров чтение возвращает 0001, то это признак поддержки 64-битной адресации. В этом случае старшая часть адресов находится в регистрах Prefetchable Base Upper 32 Bits и Prefetchable Limit Upper 32 Bits. Мост может и не иметь специальной поддержки предвыбираемой памяти, тогда вышеуказанные регистры будут при чтении возвращать нули.

Мост транслирует транзакции памяти указанных областей с первичного интерфейса на вторичный только при установленном бите Memory Space Enable в регистре команд. Транзакции памяти со вторичного интерфейса на первичный транcлируются только при установленном бите Bus Master Enable.

С мостами связаны понятия позитивного и субтрактивного декодирования адресов. Рядовые агенты PCI (устройства и мосты) отзываются только на обращения по адресам, принадлежащим областям, описанным в их конфигурационном пространстве (через базовые адреса и диапазоны памяти или ввода-вывода). Такой способ декодирования называется позитивным. Мост с позитивным декодированием (positive decoding) пропускает через себя только обращения, принадлежащие определенному списку адресов, заданному в его конфигурационных регистрах. Мост с субтрактивным декодированием (subtractive decoding) пропускает через себя обращения, не относящиеся к другим устройствам. Его области прозрачности формируются как бы вычитанием (откуда и название) из общего пространства областей, описанных в конфигурационных пространствах других устройств. Физически субтрактивное декодирование устройством (мостом) выполняется проще: устройство отслеживает на шине все транзакции интересующего его типа (обычно обращения к портам или памяти), и если не видит на них ответа (сигнала DEVSEL# в тактах 1–3 после FRAME#) ни от одного из обычных устройств, считает эту транзакцию «своей» и само вводит DEVSEL#. Возможность субтрактивного декодирования имеется только у мостов определенного типа, и она является дополнением к позитивному декодированию. Субтрактивное декодирование приходится применять для старых устройств (ISA, EISA), чьи адреса разбросаны по пространству так, что их не собрать в область позитивного декодирования приемлемого размера. Субтрактивное декодирование применяется для мостов, подключающих старые шины расширения (ISA, EISA). Позитивное и субтрактивное декодирование относится только к обращениям, направленным в пространства памяти и ввода-вывода. Конфигурационные обращения маршрутизируются с помощью номера шины, передаваемого в циклах типа 1 (см. главу 2): каждый мост «знает» номера всех шин, его окружающих. На поддержку субтрактивного декодирования может указывать только специфический код класса 060401h, обнаруженный в заголовке конфигурационных регистров данного моста.



Поддержка адресации ввода-вывода шины ISA

В адресации портов ввода-вывода есть особенности, связанные с «наследием», доставшимся от шины ISA. 10-битное декодирование адреса, применявшееся в шине ISA, приводит к тому, что каждый из адресов диапазона 0–3FFh (предел охвата 10-битным адресом) имеет еще по 63 псевдонима (aliase), по которым можно обращаться к тому же устройству ISA. Так, например, для адреса 0378h псевдонимами являются x778h, xB78h и xF78h (x — любая шестнадцатеричная цифра). Псевдонимы адресов ISA используются в разных целях, в частности, и в системе ISA PnP. Область адресов 0–FFh зарезервирована за системными (не пользовательскими) устройствами ISA, для которых псевдонимы не используют. Таким образом, в каждом килобайте адресного пространства ввода-вывода последние 768 байт (адреса 100–1FF) могут являться псевдонимами, а первые 256 байт (0–0FFh) — нет. В регистре управления мостом присутствует бит ISA Enable, установка которого приведет к вычеркиванию областей-псевдонимов из общей области адресов, описанной регистрами моста I/O Base и I/O Limit. Это вычеркивание действует только для первых 64 Кбайт адресного пространства (16-битного адреса). Мост не будет транслировать с первичного интерфейса на вторичный транзакции, принадлежащие этим вычеркнутым областям. И наоборот, с вторичного интерфейса транзакции, относящиеся к данным областям, будут транслироваться на первичный. Эта возможность нужна для совместного использования малого (64 Кбайт) пространства адресов устройствами PCI и ISA, примиряя «изрезанность» карты адресов ISA с возможностью задания лишь одной области адресов ввода-вывода для каждого моста. Данный бит имеет смысл устанавливать для мостов, за которыми нет устройств ISA. Эти мосты будут транслировать «вниз» все транзакции ввода-вывода, адресованные к первым 256 байтам каждого килобайта области адресов, описанной регистрами моста I/O Base и I/O Limit. Эти адреса конфигурационное ПО может выделять устройствам PCI, находящимся «ниже» данного моста (кроме адресов 0000h–00FFh, относящихся к устройствам системной платы). 



Специальная поддержка VGA

В мостах может присутствовать специальная поддержка графического адаптера VGA, который может находиться на стороне вторичного интерфейса моста. Эта поддержка индицируется и разрешается битом VGA Enable конфигурационного регистра моста. При включенной поддержке мост осуществляет трансляцию обращений к памяти VGA в диапазоне адресов 0A0000h–0BFFFFh, а также регистрам ввода-вывода в диапазонах 3B0h–3BBh и 3C0h–3DFh и всех их 64 псевдонимов (линии адреса AD[15:10] не декодируются). Такой особый подход объясняется данью обеспечения совместимости с самым распространенным графическим адаптером и невозможностью описания всех необходимых областей в таблицах диапазонов адресов для позитивного декодирования. Кроме того, для поддержки VGA требуется особый подход к обращениям в регистры палитр, которые расположены по адресам 3C6h, 3C8h и 3C9h, и их псевдонимам (здесь опять же линии адреса AD[15:10] не декодируются).

Слежение за записью в палитры VGA (VGA Palette Snooping) является исключением из правила однозначной маршрутизации обращений к памяти и вводу-выводу. Графическая карта в компьютере с шиной PCI обычно устанавливается в эту шину или в порт AGP, что логически эквивалентно установке в шину PCI. На VGAкарте имеются регистры палитр (Palette Registers), традиционно приписанные к пространству ввода-вывода. Если графическая система содержит еще и карту смешения сигналов графического адаптера с сигналом «живого видео», перехватывая двоичную информацию о цвете текущего пиксела по шине VESA Feature Connector (снимаемую до регистра палитр), цветовая гамма будет определяться регистрами палитр, размещенными на этой дополнительной карте. Возникает ситуация, когда операция записи в регистр палитр должна отрабатываться одновременно и в графическом адаптере (на шине PCI или AGP), и в карте видеорасширения, которая может размещаться даже на другой шине (в том числе и ISA). В CMOS Setup может присутствовать параметр PCI VGA Palette Snoop, управляющий битом VGA Snoop Enable в конфигурационном регистре моста PCI-ISA. При его включении запись в порты ввода-вывода по адресу регистров палитр будет вызывать транзакцию не только на той шине, на которой установлен графический адаптер, но и на других шинах. Чтение же по этим адресам будет выполняться только с самого графического адаптера. Заметим, что если установлен бит VGA Enable, то через мост пойдут и транзакции чтения, поскольку адреса регистров палитр входят в диапазон общих адресов портов VGA. Реализация слежения может возлагаться и на графическую карту PCI. Для этого она во время записи в регистр палитр фиксирует данные, но сигналы квитирования DEVSEL# и TRDY# не вырабатывает, в результате мост распространяет этот неопознанный запрос на шину ISA.