Peripheral Component Interconnect

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein PCI-Steckplatz (32 Bit)

64-Bit-PCI-X-Steckplätze.

Peripheral Component Interconnect, meist PCI abgekürzt, ist ein Bus-Standard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Prozessors.

[Bearbeiten] Übersicht

Es gibt verschiedene Varianten des Standards für verschiedene Einsatzgebiete (PC, Industrie, Telekommunikation). Die bekannteste Variante kommt hauptsächlich im PC-Umfeld zum Einsatz und heißt offiziell PCI Conventional. Praktisch jeder seit ca. 1994 gebaute IBM-PC kompatible Computer ist mit meist zwei bis sieben Steckplätzen für PCI-Karten ausgerüstet (ausgenommen Miniatur- und mobile Versionen). Auch neuere Computer der Firma Apple (von 1995 bis 2005, später dann PCI-Express) und Workstations der Firma Sun besitzen einen PCI-Bus. In die Steckplätze kann eine große Anzahl verfügbarer Karten verschiedener Hersteller eingesetzt werden, unter anderem auch Netzwerkkarten, Modems, Soundkarten und (ältere oder Zweit-) Grafikkarten. Damit kann ein PC leicht an spezielle Bedürfnisse angepasst werden.

PCI-Netzwerkkarte, unten die Kontakte für den Erweiterungsslot direkt auf der Leiterkarte, links das genormte Blech mit der Anschlussbuchse.

Ethernetkarte (NIC) für den PCI-X-Slot.

Die Version 1.0 des Standards wurde von der Firma Intel im Jahre 1991 definiert. Intel wollte nicht den VESA Local Bus (VLB) unterstützen, da dieser nicht genügend Durchsatz bot und zudem speziell auf den Intel 486-Prozessor zugeschnitten war. Im Gegensatz dazu kann der PCI-Bus in jeder Architektur eingesetzt werden.

Mittlerweile wurden drei verschiedene Standards weiterentwickelt:

• Konventioneller PCI
  • PCI 1.0, vorgeschlagen von Intel 1991
  • PCI 2.0, eingeführt von PCI-SIG 1993
  • PCI 2.1, beschlossen im Juni 1995
  • PCI 2.2, beschlossen im Januar 1999
  • PCI 2.3, beschlossen im März 2002
  • PCI 3.0, beschlossen im April 2004
• PCI-X
  • PCI-X 1.0, beschlossen im September 1999
  • PCI-X 2.0, beschlossen im Juli 2002
• PCI-Express (PCIe)
  • ursprünglich bekannt als 3GIO
  • PCI-Express 1.0, beschlossen Juli 2002
  • PCI Express 1.1
  • PCI Express 2.0

Der PCI-Bus hat den ISA-Bus, wie man ihn in älteren PCs fand, und ebenso den kurzlebigen VL-Bus ersetzt. Eine PCI-ISA-Bridge erlaubt in PCs, die sowohl PCI- als auch ISA-Steckplätze haben, die Anbindung des ISA-Busses an den PCI-Bus. Auf Systemen mit dem Intel-Pentium-Prozessor (und neueren) ist das die einzige Möglichkeit, ISA-Karten zu unterstützen, da der Systembus des Ur-PC, der über die ISA-Steckplätze einfach nur herausgeführt war, dort gar nicht mehr existiert. Ursprünglich sollte der PCI-Bus die Anforderungen in PCs für Grafik-, Netzwerk- und andere Schnittstellenkarten über längere Zeit erfüllen. Allerdings wurde er schon nach kurzer Zeit zu langsam für schnelle Grafikkarten, so dass für diese 1997 ein zusätzlicher Steckplatz, der Accelerated Graphics Port (AGP), eingeführt wurde. Für so gut wie alle anderen Steckkarten-Typen blieb PCI dagegen bis heute Standard, soll aber ab 2005 schrittweise von PCI-Express ersetzt werden (siehe unten).

Anders als der ISA-Bus ermöglicht PCI die dynamische Konfiguration eines Gerätes ohne Eingriff des Benutzers. Während des Bootvorgangs handeln das BIOS des PCI-Gerätes und das System-BIOS die Ressourcen aus, die das Gerät benötigt. Das erlaubt die Zuweisung von IRQs, Portadressen und Speicherbereichen entsprechend den örtlichen Gegebenheiten (bei ISA-Karten musste man häufig den zu verwendenden IRQ etc. per Steckbrücke bzw. Jumper manuell einstellen). Zusätzlich stellt der PCI-Bus dem Betriebssystem und anderen Programmen eine detaillierte Beschreibung aller verbundenen PCI-Geräte durch den PCI Configuration Space zur Verfügung.

Die PCI-Spezifikation regelt auch die physische Auslegung des Busses (u.a. auch Abstand der Leiterbahnen zueinander), elektrische Eigenschaften, Timing und Protokolle. Die Geräte oder Schnittstellen müssen nicht unbedingt auf Steckkarten untergebracht werden, sondern können sich auch direkt auf der Hauptplatine des Computers befinden, die Spezifikation spricht hier von planar devices.

[Bearbeiten] Allgemeine PCI-Bus-Spezifikationen

Der PCI-Bus ist ein synchroner Bus mit 33,33 MHz (= 1/33333333,33s pro Takt = 30 ns pro Takt) oder nach Spezifikation 2.1 66,66 MHz Taktrate, also 15 ns pro Takt (= 1/66666666,66 s pro Takt). Diese Werte sind Maximal-Werte; nach der Spezifikation kann der Takt auch niedriger und zudem variabel sein, beispielsweise zum Stromsparen. Deshalb hat der Bus eine Taktleitung. Alle Signale werden nur bei der steigenden Taktflanke zwischengespeichert. Die Signale können über CMOS-Treiber angesteuert werden, so dass der gesamte Stromverbrauch gering ist. Der Bus kann mit bis zu 10 Geräten bestückt werden, wobei zwischen Master (Herr) und Target (Ziel) unterschieden wird. Der Master könnte bei Bedarf selbst die Kontrolle über alle Abläufe auf dem Bus übernehmen, was vor allem für Daten ans System liefernde Karten wie etwa Netzwerkkarten oder Festplatten-Controller günstig sein kann. Als Geräte zählen auch Schnittstellen (also die Sockel, in die die Erweiterungskarten eingesteckt werden können) sowie auf der Hauptplatine untergebrachte Geräte, die Verbindung zum Host (PCI/Host-Schnittstelle) oder zu einem eventuell vorhandenen ISA-Bus (PCI/ISA-Schnittstelle). Daneben erlauben Sockel auf der Hauptplatine den Einsatz von Schnittstellenkarten. Falls die Anzahl der Steckplätze nicht ausreicht, können über PCI/PCI-Schnittstellen (PCI-PCI-Bridge) weitere PCI-Busse in das System eingebunden werden.

Auf dem PCI-Bus kommuniziert immer ein Master mit einem Target. Die meisten PCI-Geräte können sowohl als Target angesprochen werden als auch als Master Transaktionen starten. Über einen Arbiter wird ein Master ausgewählt, der dann die Kontrolle über den Bus hat. Er beginnt einen Transfer, indem er eine Adresse an die 32 Daten/Adressleitungen und ein Kommando an 4 Kommando/Byte-Leitungen anlegt. Die Daten und Adressen werden über dieselben Leitungen übertragen und per Zeitmultiplexverfahren voneinander getrennt. Eine zusätzliche Paritätsleitung erlaubt das Erkennen von Fehlern.

CPU und Arbeitsspeicher sind über eine sogenannte Host-Bridge mit dem Bus verbunden. Die meisten Transaktionen auf dem Bus finden zwischen dieser Bridge und den restlichen Peripheriegeräten statt. Theoretisch können Peripheriegeräte auch untereinander kommunizieren, diese Möglichkeit wird jedoch nur sehr selten genutzt. Da Master-fähige Peripheriegeräte die Hostbridge als Target ansprechen können, sind sie in der Lage, direkt in den Arbeitsspeicher zu schreiben und aus ihm zu lesen - dies entspricht Direct Memory Access (DMA).

Jedem Target werden nach dem Reset vom BIOS Adressbereiche zugeteilt. Über Herstellercodes können Karten nach dem Hochfahren eindeutig identifiziert werden. Das Target mit der ausgewählten Adresse im Adressbereich antwortet dann und kommuniziert mit dem Master. Die beiden am häufigsten verwendeten Kommandos sind READ und WRITE. Über die Adress/Datenleitungen werden dann Daten übertragen, wobei die Kommando/Byte-Leitungen zur Auswahl der Bytes im 32-Bit-Wort dienen können. Dadurch sind neben 32-Bit auch 16- und 8-Bit Transfers möglich.

In der am weitesten verbreiteten PCI-Variante mit 32bit/33MHz können in jedem Takt maximal 32 Bit, also 4 Bytes übertragen werden, so dass die Transferrate maximal 133 MByte/s beträgt (4 Bytes in 30 ns). Über Ready-Leitungen kann sowohl der Master als auch das Target signalisieren, dass sie zur Aufnahme eines Datums bereit sind. Falls Master oder Target nicht bereit sind, wird kein Datum übertragen, die Datenübertragung also verlangsamt.

Normalerweise beendet der Master den Datentransfer. Über ein STOP-Signal kann das Target ein Übertragungsende erzwingen. Ein anderer Master kann den Bus über REQ anfordern, wobei die derzeitige Übertragung nach einer vorgegebenen Latenzzeit beendet werden muss und der neue Master den Bus übernehmen kann.

Der PCI-Bus benötigt minimal nur 47 (Target) bzw. 49 (Master) Signale auf dem Bus. Ab der Version 2.1 der Spezifikation ist eine 64-Bit-Erweiterung definiert, die den Datenbus durch zusätzliche Signale auf 64 Bit verbreitert. In einem System können 32-Bit- und 64-Bit-Geräte koexistieren und miteinander kommunizieren.

Auf dem Bus liegen vier Interruptleitungen, so dass jedes Gerät bis zu vier verschiedene Interrupts (INTA bis INTD) erzeugen kann. Die Interruptleitungen sind auf dem Bus aber nicht verbunden, sondern können einzeln geroutet und zugeordnet werden. Normalerweise wird nur INTA verwendet. Dieser kann jedoch je nach Steckplatz einem eigenen Interrupt zugeordnet werden oder, falls nicht genügend Interrupts vorhanden sind, zwischen verschiedenen Karten geteilt werden. Die Probleme des ISA-Busses, der oft zu wenig Interrupts zuordnen konnte, sind damit weitgehend Vergangenheit.

†) 2.1 erlaubt 3,3V-Leitungen, 2.2 schreibt sie vor.

‡) Die max. Datenrate ist das Produkt aus max. Taktrate und max. Busbreite. Beispiel: . (Beachte [Hz] = [s ^{− 1}].)

[Bearbeiten] PCI-Bus-Signale

Die Art der Ein- und Ausgänge lassen sich wie folgt einteilen:

Signale auf dem PCI-Bus - das #-Zeichen deutet an, dass die Signale Low Active sind.

[Bearbeiten] PCI-ID

Jedes Gerät bzw. Steckkarte an einem PCI-Bus besitzt eine eindeutige Hardware-Kennung (ID). Diese setzt sich aus einem Teil für die Identifikation des Herstellers und einem Teil für das Modell zusammen.

Class-ID ':' Hersteller-ID ':' Geräte-ID

Beispielsweise:

0200:8086:10b5

Hierbei steht:

• 0200 für einen Ethernet Network Controller
• 8086 für die Intel Corporation (die Zahl ist wohl bewusst, aus historischen Gründen gewählt worden)
• 10b5 für das Gerät 82546GB Gigabit Ethernet Controller (Copper)

Über die Class-ID wird das Gerät einer bestimmten Gruppe zugeordnet. Das erleichtert die Ermittlung unbekannter Geräte.

[Bearbeiten] Operationen auf dem PCI-Bus

Nach der Konfiguration aller Geräte durch das BIOS können alle Geräte über ein Befehlsprotokoll angesprochen werden. Dieses setzt sich aus dem Befehl, der Adresse und einer Folge von Daten zusammen.

[Bearbeiten] Grundlegende PCI-Varianten

• PCI Conventional, erlaubt Busbreiten von 32 oder 64 Bit und Übertragungen mit 33 oder 66 MHz Takt (max. 528 MByte/s)
• PCI-X, 64-Bit-Version von PCI Conventional mit 66, 100 oder 133 MHz Takt (max. 1.066 MByte/s)
• PCI-X 266 (PCI-X DDR), PCI-X mit 266 MHz Nominaltakt (max. 2.133 MByte/s)
• Mini PCI, kleinere Bauform für Notebooks etc.
• CompactPCI, elektrisch voll PCI-kompatibel, jedoch in Form von Einschüben mit 3 bzw. 6 HE
• PCI Low-Profile, halbe Bauhöhe
• PC/104+ und PCI104 , voll PCI-kompatibel für Stapelcomputer

[Bearbeiten] Abmessungen der PCI-Varianten

• Standard
  • Height Maximum: 4.2″, entspricht 106,68 mm
  • Height Short Card Length: — 6.875″, entspricht 174,625 mm
  • Height Long Card Length: — 12.283″, entspricht 311,9882 mm
• Low Profile
  • Short Card (MD1): Length — 4.72″, entspricht 119,888 mm
  • Long Card (MD2): Length — 6.6″, entspricht 167,64 mm
  • Maximum Height: 2.536″, entspricht 64,4144 mm
  • Minimum Height: 0.945″, entspricht 24,003 mm

[Bearbeiten] Kodierung der Kontaktleiste

• 3,3V-kompatible Karten haben eine Kerbe links (Richtung Slotblech)
• 5V-kompatible Karten haben eine Kerbe rechts
• Universal-Karten haben beide Kerben

• Slots nach PCI 2.x haben einen Steg rechts (die dem Slotblech abgewandte Seite). Die PCI 2.3-Spezifikation unterstützt zwar keine 5V-Karten mehr, diese passen aber dennoch physikalisch in den Slot.
• Slots nach PCI 3.0 haben einen Steg links (Richtung Slotblech), so dass nur noch 3,3V- und Universal-Karten mit der entsprechenden Kerbe eingesteckt werden können.

[Bearbeiten] Andere PCI-Varianten

• PCI-Express (zuerst 3GIO genannt, Abkürzung PCIe oder PCI-E) ist im Gegensatz zum PCI-Bus auf der elektrischen Ebene eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die aber PCI-Signalisierung und -Programmiertechniken verwendet und daher von Betriebssystem und Software wie PCI behandelt werden kann. Seit 2004 ersetzt PCI-Express schrittweise sowohl PCI als auch AGP. Hardwaretechnisch ist es nicht kompatibel zu PCI oder AGP.

[Bearbeiten] Powermanagement mit PCI

Die Energiesparfunktionen für den PCI-Bus sind Teil einer optional zu implementierenden Spezifikation, die zeitlich zwischen den PCI-Versionen 2.1 und 2.2 angesiedelt ist. Jedes PM-fähige Gerät hat ein zusätzliches 8 Byte langes Feld im Configuration Space, über das es einerseits mitteilen kann, welche Energiespar-Modi es unterstützt, und andererseits auch entsprechend gesteuert werden kann. Jedes PCI-Gerät kann sich in einem von vier möglichen Operationsmodi befinden (D0-D3). Je höher die Nummer, desto weniger Energie verbraucht das Gerät. Auch wenn ein Gerät nichts von PCI-Powermanagement weiß, unterstützt es die Modi D0 und D3, da diese äquivalent zu an und aus sind. Ob und wieviel Energie in den dazwischen liegenden Modi gespart werden kann, liegt im Ermessen des Hardware-Herstellers. Ein Gerät kann aus einem bestimmten Modus in alle „darunter“ liegenden Modi wechseln, sowie aus jedem Modus in den Zustand D0.

Obwohl man Geräte durchaus „zu Fuß“ während des laufenden Betriebes in einen anderen Energiesparmodus bringen kann, wird man in den meisten Fällen mit Hilfe von APM oder ACPI einen globalen Energiesparmodus für den Computer setzen, der dann von der Powermanagement-Unterstützung des Betriebssystems eingeregelt wird. In den Modi D1 und D2 besteht für ein entsprechend ausgerüstetes PCI-Gerät die Möglichkeit, zu einem beliebigen Zeitpunkt ein so genanntes Power Management Event Signal (PME) auf den Bus zu legen, das dann an das Powermanagement des Betriebssystems weitergeleitet wird und dazu verwendet werden kann, das System auf Anforderung wieder global „aufzuwecken“ -- etwa wenn eine Netzwerkkarte einlaufende Daten erkennt, die behandelt werden müssen.

[Bearbeiten] Begriffe

• Fast Back-to-Back: Wenn alle Geräte diesen Modus unterstützen kann die IDLE-Phase zwischen zwei PCI-Zyklen entfallen. Dies erhöht den Datendurchsatz auf dem Bus.
• Special Cycle: Über „Special Cycle“ können Rundrufnachrichten (Broadcast messages) an alle angeschlossenen Geräte gesendet werden.
• Address Space: einer von drei Adressbereichen - Memory, I/O oder Configuration Space
• Configuration Space: Der „Configuration Space“ ist ein Speicherbereich (256 bzw. 4096 Bytes) jedes PCI-Geräts, der zur Identifizierung und Konfiguration des Geräts dient. Der Configuration Space besteht aus einem standardisierten Kopf (Header) und zusätzlichen gerätespezifischen Daten wie beispielsweise Adressbereichen. Das BIOS bzw. der Treiber für ein PCI-Gerät kann anhand dieser Daten das Gerät passend konfigurieren.

[Bearbeiten] Interessengruppen

[Bearbeiten] Special Interest Group

1992 wurde die Spezielle Interessengruppe „PCI-SIG“ (ursprüngliche Bezeichnung: „Peripheral Component Interconnect Special Interest Group“) gegründet. Die Aufgabe der PCI-SIG ist die Verwaltung und die Weiterentwicklung des PCI-Standards. Bei PCI-SIG können Firmen und Organisationen Mitglied werden. Im Jahr 2007 gab es mehr als 800 Mitglieder.

[Bearbeiten] PCI Industrial Computer Manufacturers Group

Die 1994 gegründete PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) ist ein Konsortium aus über 450 Firmen, die den PCI-Standard für die Nutzung im industriellen Bereich, in der Medizin, dem Militär und der Telekommunikation erweitern wollen. Daraus entstanden Spezifikationen wie CompactPCI oder AdvancedTCA.

[Bearbeiten] Literatur

• Sonderheft PRAXIS PROFILINE Compact PCI PCI Express
• Don Anderson, Tom Shanley: PCI System Architecture 4th Edition. Mindshare Inc. 1999 ISBN 0-201-30974-2

[Bearbeiten] Siehe auch

• PCI-Express
• Accelerated Graphics Port (AGP)
• Extended Industry Standard Architecture (EISA-Bus)
• VESA Local Bus (VLB)
• Industry Standard Architecture (ISA-Bus, auch AT-Bus genannt)
• Micro Channel Architecture (MCA-Bus)
• XT-Bus-Architektur

[Bearbeiten] Weblinks

• PCI Special Interest Group (PCI-SIG) (englisch)
• PCI Local Bus Technical Summary (englisch)
• „Hardwerker“, Werkzeuge zur Fehlersuche - Enumeration PCI-Adapter durch BIOS und WinPnP
• Erklärung der Unterschiedlichen Steckplätze und Kombinationsmöglichkeiten der Karten
• PCI bus pinout
• PCI Technology Overview
• PCI-IDs bei Sourceforge.net