PCI（Peripheral Component Interconnect，外围组件互连）总线是一种曾经极其重要、用于连接计算机主板与高速外部设备的标准并行总线。其工作原理核心在于提供共享的、基于仲裁的并行数据通道，允许多个设备在主控制器的协调下有序地传输数据。

以下是PCI总线工作原理的主要方面：

1. 物理连接与插槽：

   • 主板上有多个PCI插槽（通常是白色的）。
   • 设备（如图形卡、网卡、SCSI控制器、声卡等）通过其金手指插入PCI插槽，形成物理连接。连接器规定了信号引脚的定义。

2. 并行数据传输：

   • PCI是并行总线。这意味着它在单一总线周期内通过多根（通常是32位或64位）数据线同时传输多位数据。
   • 地址总线和数据总线最初是分时复用的（使用相同的物理线路），后期版本有所分离。
   • 控制信号线（如命令/字节使能、帧信号、设备选择信号、发起端准备好信号、目标设备准备好信号等）负责协调传输过程。

3. 主/从模式（Bus Master / Target）：

   • 主设备： 能够主动发起总线传输的设备（也称为总线主控）。例如，CPU、支持DMA操作的设备控制器。主设备控制数据传输的起始、结束和目标地址。
   • 目标设备： 响应主设备请求的设备（也称为从设备）。它接收主设备的命令和地址，执行读或写操作，并返回数据或状态。
   • 一个设备可以同时具备主设备和目标设备的能力（如图形卡）。

4. 集中式仲裁：

   • 这是PCI总线管理多个潜在主设备同时请求使用总线的关键机制。
   • 主板上有一个PCI仲裁器（通常在主板芯片组中）。
   • 当主设备需要使用总线时，会向仲裁器发出自己的总线请求信号。
   • 仲裁器根据预设的优先级规则（通常是轮询或固定优先级），在多个同时请求的设备中选择一个授予总线使用权。
   • 只有获得总线授予信号的主设备才能开始传输。其他请求主设备必须等待。

5. 总线事务（传输过程）： 一个典型的数据传输（称为一个总线事务）包括以下几个阶段：

   • 仲裁阶段： 潜在主设备请求总线，仲裁器决定谁获得使用权。获得总线授予信号。(发生在总线空闲或上一个事务结束时)
   • 地址阶段： 获得授权的主设备激活帧信号，并在地址/数据线上放置目标设备地址和传输命令（读或写）。所有设备都“听到”这个地址。
   • 目标设备选择： 被寻址的目标设备确认地址有效后，激活设备选择信号响应主设备。未被选中的设备忽略后续操作。
   • 数据传输阶段： 主设备和选定的目标设备在数据线上进行实际数据传输。数据传输是突发式的（允许一次传输多个连续地址的数据，提高效率）。
     • 主设备用发起端准备好信号表示它准备好发送或接收数据。
     • 目标设备用目标设备准备好信号表示它准备好接收或发送数据。
     • 每个数据周期，都需主设备和目标设备的“准备好”信号同时有效，数据才成功传输。这实现了握手机制，确保同步。
   • 事务结束： 当所有数据传输完成或发生错误时，主设备撤销帧信号（或目标设备请求中止），表示事务结束。总线进入空闲状态或下一个仲裁阶段开始。

6. 配置空间：

   • 这是PCI总线的一大特色和优势。
   • 每个PCI设备都内嵌了一个标准化的配置寄存器组（256字节），位于独立于设备内存和I/O空间的地址区域。
   • 在系统启动时（或设备热插拔后），操作系统或BIOS通过特殊的配置周期访问这些寄存器。
   • 作用：
     • 识别设备（厂商ID, 设备ID）。
     • 查询设备所需的系统资源（内存空间、I/O空间、中断）。
     • 向设备分配资源（如分配地址范围、中断号）。
     • 启用或禁用设备功能。
   • 这种即插即用功能简化了硬件安装和系统配置。

总结流程：

1. 设备插在PCI插槽上（物理连接）。
2. 系统启动，通过配置空间识别并配置所有PCI设备（分配资源）。
3. 运行时，需要传输数据的设备（作为潜在主设备）向PCI仲裁器发出请求。
4. 仲裁器根据优先级授予总线给其中一个主设备。
5. 获得总线的主设备发起事务：置地址/命令 -> 目标设备响应选中。
6. 主设备和目标设备通过握手机制（准备好信号）完成数据传输（可能是多个数据项）。
7. 事务结束，总线释放。
8. 其他等待的主设备可以再次开始仲裁过程。

主要特点（也隐含在原理中）：

• 共享总线： 多个设备共用同一组物理线路。
• 并行传输： 多位数据同时传输。
• 基于仲裁： 解决设备争用问题，确保有序访问。
• 突发传输： 提高大数据块传输效率。
• 主/从架构： 设备可发起或响应请求。
• 即插即用： 通过标准化的配置空间实现自动资源分配。
• 高速（相对于早期总线）： 最初为33MHz，后续发展到66MHz，最高带宽133MB/s(32位@33MHz)或533MB/s(64位@66MHz)。

注意： PCI总线已被后续的PCI-X（增强但兼容）和更先进的串行总线标准PCI Express（PCIe）所取代。PCIe采用了完全不同的、点对点、串行交换式架构，性能远远超过并行PCI总线。但理解PCI总线原理对于学习计算机体系结构和总线技术的发展仍然非常重要。