摘 要 介绍了PCI系列总线的基本原理及应用，全面描述了各总线的特点及其适用的领域。包括标准PCI总线、CompactPCI总线、PXI总线，PCI-X总线、SmallPCI 总线及MiniPCI总线。
关键词 PCI总线 PCI系列总线 总线应用
PCI总线从其诞生开始，在近10年的生命历程中，已发展成为局部总线的新标准。在PC机及工控领域，已出现PCI总线逐渐代替ISA/EISA等总线的趋势。为了使性能卓越的PCI 总线具有更广泛的应用领域， PICMG［注1］，PXISA［注2］及PCISIG［注3］等组织先后对标准PCI 总线进行了扩展，产生了如CompactPCI，PXI，PCI-X，SmallPCI，MiniPCI等总线，从而出 现了PCI的系列总线。下面将分别对上述总线进行介绍，并提出各总线的主要应用方向。
1 标准PCI总线
这是PCI系列总线的第一个规范，由PCISIG最初于1993年发布V1.0版，随后进行了多 次修订，目前的最新版是V2.2版。标准PCI总线也由最初的32 B/33 MHz发展到目前的64B/64MHz。一个PCI系统的典型结构如图1所示。
从图中可以看出，一个PCI系统主要由处理器、存储单元、主机-PCI桥（主桥）、PCI-PCI 桥、PCI-扩展总线、各种PCI卡及附属电路组成。
PCI总线是以ISA/EISA等PC用低速总线的替代者的身份出现的，它之所以成为局部总线的 主流，是由其所具有的一些显著的特点决定的。具体如下：
(1) 运行速度快，可扩展性好
PCI总线典型的工作频率为33 MHz，支持66 MHz扩展。它的总线宽度为32位，并可以扩展 到64 位。当较多外设接到CPU总线上而使总线驱动能力不足时，可采用多条PCI总线，这些总线可 以并发工作，每条总线上最大可以接4个PCI设备。
(2) 兼容性好，稳定可靠
PCI总线可与ISA、EISA、VESA等总线兼容，由于PCI规范与CPU及时钟无关，也就是说，PC I 的插卡是通用的，可插到任何一个有PCI总线的系统上去（一般对同一类型CPU的系统而言） 。PCI卡通用于所有的x86体系结构的微机，不论是486还是奔腾CPU，也不管主频是多少赫兹 ，都大大简化了系统设计，同时保证了PCI设备的工作状态的稳定。
(3) 从硬件上保证“即插即用”功能的实现
所谓“即插即用”，就是要求各种插卡插入系统就能工作，而不必手动设置开关或跳线， 即有自动配置功能。PCI总线为每个PCI插槽定义了相应的配置空间，一旦PCI卡插入系统，系统BIOS能根据从配置空间读到的关于该扩展卡的信息，结合系统实际情况为插卡分配内存或I/O地址、中断和某些定时信息，实现自动配置功能，从根本上免除了人工配置。
(4)规范标准严格
PCI总线对协议、时序、负载、电气性能和机械性能等指标都有严格的规定，这正是ISA、VESA这类总线所不及的地方，从而保证了它的可靠性和兼容性。
(5)PCI总线应用
① PCI总线的应用十分广泛。几乎每台PC及工控机均有PCI总线，且均以PCI总线为主，其他总线为辅；
② 各种档次的服务器及相关设备；
③ 为其他PCI系列总线定义了基本的功能和电气特征，成为它们的基础；
④ 目前，生产PCI接口芯片的半导体厂商较多，国内流行的主要是Plx和AMCC公司的产 品。Plx公司主要有plx9054，plx9050，plx9080等；AMCC公司主要是S5933和S5920。
2 CompactPCI总线
PCI总线具有高性能和良好的性价比，一直吸引着人们希望将其应用于电信及其他工 业领域。但是，标准 PCI总线技术无法满足这类应用在系统强壮性和可靠性方面的苛刻要求 。为了调和这一矛盾，产生了CompactPCI总线技术。
[page] CompactPCI总线标准由PICMG于1995年正式发布。Compact PCI的意思是“坚实的PCI”，它采用与标准PCI相同的电气规范，所以可使用与传统PCI系统相同的芯片、防火墙和相关软件。将一个标准PCI插卡转化成CompactPCI插卡几乎不需重新设计，只需对物理连接进行重新分布。
与标准PCI总线相比，CompactPCI主要进行了以下一些改进：
(1) CompactPCI总线具有更好的机械特性CompactPCI采用了欧式卡（Eur ocard）的工业组 装标准，被动的无源背板，通过高性能的IEC规格的2 mm插针连接器进行板卡与背板的连接， 使CompactPCI卡可以从机箱前面插入，从而使整个系统具有了更好的稳固性、可靠性及散热性能。这一点十分关键，它增强了PCI系统在电信或条件恶劣的工业环境中的可维护性和可靠性。
(2) CompactPCI可支持更多的插槽正是由于上述良好的机械性能，每个C ompact PCI总线段最多可支持8个插槽，而不是标准PCI的4个。同时，通过PCI-PCI桥的使用，能对系统规模进行进一步的扩展。
(3)热交换（Hot Swap）规范支持为了满足电信等领域对热插拔的需求， CompactP CI所使用的连接器是高低不同的针和槽式连接器，并定义了热交换对驱动程序的要求，实现 了连接器电源和信号引线对热交换规范的支持。
CompactPCI的主要应用：
(1) 通信领域的高速交换机及路由器。与VME等总线相比， CompactPCI总线有更好的性 价比、与PC更好的互通性，使其应用越来越广泛。
(2) 实时机器控制器；
(3)工业自动化；
(4)测试系统；
(5)军用通信系统。
3 PXI总线（PCI eXtensions for Instrumentation）
PXI总线协议由PXISA于1997年8月最初发布PXI 1.0，随后于2000年7月做了修订，是为PXI 2.0。正如其名字所言，PXI将标准PCI进行了扩展，使其适用于仪器与自动化领域等的应 用 。
PXI分别采用了标准PCI的电气特征，CompactPCI的外形及机械特征，将标准PCI规范电气 特 征与CompactPCI采用的欧式卡（Eurocard）和IEC高性能连接器相结合。这种结合使PXI系统每个总线段可有最多8个插槽，而不是桌面PCI系统中的4个。PXI还定义了触发机制、局部总线、系统时钟等功能，满足了仪器应用中的高性能和特殊要求。为了简化系统集成，PXI定义了一种软件体系结构（如WIN95/98/NT/2000），并要求每个PXI外围模块有相应的设备驱动程序。同时，还定义了一种虚拟仪器软件结构（VISA），VISA主要用于模块定位及与串口 、VXI、GPIB等外围模块相互通信。
PXI典型应用：
① 测试仪器；
② 数据采集；
③ 工业现场控制与自动化。
4 PCI-X总线
虽然标准PCI 22规范已经定义了64 位、66 MHz的PCI总线，其最大带宽533 MB/s，但是 ，由于服务器和高端PC用户所需处理的数据吞吐量越来越大，即使64 B/66 MHz PCI总线 提供的533 MB/s带宽仍显不够时，便迫切需要一种新的标准来取代目前的接口，就象当初 P CI 取代 ISA 总线一样。这个任务便由PCISIG于2000年正式发布了PCI-X 10规范承担了起来。PCI -X协议最初由服务器的主要生产商Compaq、HP 和 IBM提出，随后提交给PCISIG，由其最终 标准化并发布。
PCI-X总线的出现，使系统设计者能以最高133 MHz的时钟使用 64 位或32位的PCI总 线， 获得的最大带宽可达1066 MB/s。如此高吞吐量性能的获得主要是由PCI-X规范与标准PCI的 两个重要差别带来的：一是通过一种称作“寄存器到寄存器”的协议，使更高时钟频率的使用成为可能；二是使用了一些新的解析与传送协议，如：特征周期（Attribute Phase）、事务分离(Split Transactions)、优化等待状态（Optimized Wait States）、标准大小数据块传送（Standard Block Size Movements）等，提高了总线的传送效率。下面对这些新技术做一简单介绍：
[page] (1)特征周期PCI-X协议中，在每个事务的地址周期与数据周期之间引入 了一个36位的特征周期，该周期包含了诸如事务量大小、事务顺序、缓冲量检测及事务发起者身份鉴别等信息，使总线上各设备之间的操作更加透明和优化。
(2)事务分离PCI-X协议引入的事务分离技术，允许一个正在向某个特定 目标设备请求数据的设备，在目标设备准备好发送数据之前，处理到来的其他任何事务。而在标准 PCI 体系中，请求发起者将停止处理新的事务，直到与目标设备之间的数据处理完毕为止。这便提 高了总线的使用效率。
(3)优化等待状态标准PCI规范中，当慢速设备与PCI总线通信时，经常需 要插入若干等待 周期。PCI-X为了减小这种无谓消耗，除了上述的“事务分离”技术外，还采用了将未准备好传送数据的设备从总线上移走的技术，这样便又减少了等待状态，使总线可为其他设备所 用，提高了总线和内存资源的使用效率。
(4)标准大小数据块传送PCI-X协议规定PCI-X适配器和桥（主机到PC I-X和PCI-X到PCI- X桥）只能进行以128字节对齐的事务分拆。这种机制推荐进行持续期长的猝发传送，使对基于缓存机制的资源（如处理器总线、主存等）更高效地利用成为可能。这也使在PCI-X设备之间使用管道传送体系结构更加容易。
PCI-X总线完全兼容现有的PCI总线和操作系统。PCI-X设备可以工作于标准PCI总线，标准PCI设备也可以工作于PCI-X总线。
作为PCISIG PCI-X工作组的发起者和领导者，Compaq开发了PCI-X适配器和系统级的 解决方案，并于2000年中期推出基于PCI-X体系的x86系统。Compaq还将PCI-X应用在了Alpha 服务器和NonStop Himalaya系统之中。
PCI-X的应用：
① 企业级服务器及高端PC；
② 通信设备交换单元I/O结构。
5 SmallPCI总线
随着高性能的和具有良好扩展性能的PCI系统的广泛应用，在某些高速发展的领域（如移动 计算与通信）提出了对具有较小物理尺寸的PCI产品的需求。于是，PCISIG组织了工作组进行了这类PCI总线标准的制定，即为SmallPCI标准，称作“小型PCI”。
因为尺寸的限制，SmallPCI总线不具有标准PCI总线的64位扩张能力，但拥有标准PCI的所 有其他性能，如：32-bit数据/地址总线、132 MB/s的最大传送速率、总线主控功能等。同时SmallPCI包括CLKRUN信号，可以通过控制PCI时钟频率的高低来降低系统功耗。
第一个SmallPCI产品是IBM在日本推出的桌面PCIBM 6860一个更小的PC， 它有2个SmallPCI插槽、2个扩展卡插槽、2个（或4个）PCMICA插槽。其他的SmallPCI产品及 开发工 具提供商还有：TI，Micro Industries，Molex等。
SmallPCI的主要特征：
(1) 与标准PCI完全相同的性能和电气特征；
(2) 较小的物理尺寸，适合于并行安装系统中；
(3) 不需特殊的插槽控制芯片和软件；
(4) 使用了CLKRUN信号，可减小功耗；
(5) 使用PRSNT［1:2］#信号，可优化电源供给；
(6) 兼容33 V和5 V操作；
(7) 功耗的减小，降低了对电源供给和制冷系统的要求。
SmallPCI总线的作用和应用：
(1)可移动计算设备；
(2)为桌面系统设计者提供了一种流线型的设计方法，使系统配置更加模块化；
(3)需要高性能总线体系的设备，如：机顶盒、移动视频会议系统、PDA、导航设备等；
(4)在新型微机技术的标准化和大规模生产中扮演重要角色。
6 MiniPCI总线
MiniPCI 1.0总线标准由PCISIG于1999年11月正式通过，该标准定义了在移动通信中的PC I应用，称作“袖珍PCI”或“迷你PCI”。该标准所定义的PCI卡具有比SmallPCI卡更小的外形尺寸，称作MiniPCI卡，其作为标准PCI的一个子集，具有与标准PCI协议相同的信号引脚、电气性能及配置管理。MiniPCI主要适用于调制解调器以及网络接口卡（NIC）。目前，笔记本电脑中已开始使用MiniPCI卡，取代常见的外置式PCMCIA卡，作内置式NIC或Modem。Min iPCI总线的外形有TypeI，TypeII，TypeIII三种。TypeI可用于台式电脑，TypeII主要用于低价位的移动通信设备，TypeIII用于超薄型的移动通信设备。
[page] MiniPCI与标准PCI的主要区别有：
(1) MiniPCI卡的外形及系统连接器的物理尺寸均较标准PCI卡小；
(2) MiniPCI总线在音频系统及通信系统中均要用到标准的边带（sideband）信号；
(3) 支持PCISIG发布的“移动设备用PCI设计指南”（PCI Mobile Design Guide） 中定义的“CLKRUN”信号；
(4) 不支持JTAG信号及64 B扩展。
MiniPCI总线的主要应用：
(1) 笔记本电脑；
(2) 移动通信设备；
注释：
① PICMG: PCI Industrial Computers Manufacturers group（ PCI工业计算机制造协会）CompactPCI总线协议的制定者；
② PXISA: PCI eXtensionS for Instrumentation Systems Alliance（PXI系统联盟）PXI总线协议的制定者；
③ PCISIG：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group（PCI 特别兴趣集团）标准PCI协议及PCI-X、SmallPCI、MiniPCI等总线协议的制定者。
