前言

今天要講的是PCI，是一種parallel interface，paraller和serial的差別是bus上每個clock傳輸多bits或1 bit，因次在相同bus clock頻率下parallel interface遠比serial interface快多了，data bus有8 bits就是八倍快，data bus有16 bits就是16倍快，這樣來說serial interface不就很糟糕?其實不然，一方面data bus越多代表chip需要做的pin腳越多，chip就需要變大顆塞這些pin腳，封裝成本、裝置小型化都會受影響，另一方面parallel interface有頻率上限，data bus的各根pin腳可能在chip內的走線、在chip外的走線，或線材的影響，各bit在clock posedge變化後，抵達接收端的時間有點差距，在頻率低時沒甚麼，頻率高時這點差距可能是半個clock周期或更長，影響極大，因為clock的抵達時間也是有差距，最糟狀況差如果某bit和clock差了一週期就可能讓接收端取錯資料，所以PCI演化到PCIe、PATA演化到SATA，都是parallel interface到頻率上限，再怎麼改進接頭和線材，差距還是有顯著影響，只好回頭用serial interface來增加傳輸速率。

PCI簡介

PCI涵蓋的東西很多，一整本spec幾百頁，而且大部分現在用不到，所以我只講我覺得該知道的東西。

PCI的來源

早期的電腦系統可以說是一顆微控制器(MCU)，再加上外部裝置，外部裝置可能是memory，例如SRAM，也可能是IO裝置，例如printer。(網路上抓一張8086的圖來說明，有侵權請跟我說)

在MCU外部要區分去SRAM或是去printer的access靠M/IO那個訊號決定，read/write靠RD和WR這兩根決定，在MCU內部FW的寫法就是用MOV存取SRAM，用IN、OUT存取printer這種IO裝置，IO的address和memory的address是獨立的，寫IO的address 0(OUT [0x0], R1)和寫memory的address 0(MOV [0x0], R1)，在外部是兩回子事，IO的address範圍稱為IO space，memory的address範圍稱為memory space。

因為各家MCU和各種外部裝置的pin腳和控制方式不盡相同，所以每一款MCU要連接外部裝置都要特別設計，到了PC-XT時代提出了ISA bus，只要MCU和外部裝置的pin腳和行為都符合ISA spec，那它們就能互相溝通，算是工業技術的一大突破。

隨著技術的進步，CPU可以也需要跑越來越高頻，memory裝置跟得上但IO裝置沒必要跑這麼高浪費設計也浪費電，因此有chipset、南北橋的設計，高頻的memory做在北橋，低頻的IO做在南橋，可以掛的裝置也越來越多。

因為CPU外的裝置很多，雖然用ISA bus可以直接接上，但BIOS需要為每個裝置配置IO或memory的address，掛5個就設5個，掛10個就設10個，沒設定好就會資源衝突掛掉(要像我這樣夠老的才有這一段體驗)，相當麻煩，因此懶惰的資訊人們想說這應該讓電腦做掉，所以規劃了PCI spec，規定所有PCI裝置都要有個configuration header讓BIOS讀，同時bus上有多少個PCI裝置有上限，所以BIOS就去掃所有可能的address，如果讀不到合法的configuration header就代表裝置不存在，讀到合法的就由BIOS看裝置種類自動配置IO或memory address，這種技術就叫做Plug-and-Play，關電、插上去、開電就能用。(和現代的hot-plug不同，hot-plug更先進，不用關店直接插就能用)

PCI的使用

先來講configuration header，PCI spec為此定義了一個configuration space，獨立於IO space和memory space之外，所以PCI的pin腳就是除了有決定IO/memory access的pin腳，還要決定configuration access的部分，這些合起來就是PCI的command bus。

CPU外部可以區分要讀Config、IO、或memory了，內部FW怎麼辦呢?compiler不可能為這個大改來支援一個CONFIG_IN、CONFIG_OUT的指令，所以PCI協會就規定IO space的0x3F8是Config的address register，0x3FC是Config的data register，先寫好PCI的address在address register，再看要read還是write就對0x3FC做read、write，這樣chipset收到0x3F8、0x3FC的IO access會自動轉成對外的PCI動作。

Configuration space的address是由bus、device、function組成，bus是經過了幾個PCI bridge，device是PCI bus上實體接上的東西，一個device又可以有多個function，但這些對FW無所謂，每個bus的每個device的每個function都是獨立的，為每個合法的function配置足夠的IO address range或memory address range就好。

以上應該就是軟體人在操控PCI/PCIe裝置知識無法連貫的部分，明天來講PATA這個早期硬碟的介面。