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PCIe扫盲——PCI总线的三种传输模式

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本文来简单地介绍一下PCI Spec规定的三种数据传输模型:Programmed I/O(PIO),Peer-to-Peer和DMA。

三种数据传输模型的示意图如下图所示:

image.png

首先来介绍一下Programmed I/O(PIO)

PIO在早期的PC中被广泛使用,因外当时的处理器的速度要远远大于任何其他外设的速度,所以PIO足以胜任所有的任务。举一个例子,比如说某一个PCI设备需要向内存(SDRAM)中写入一些数据,该PCI设备会向CPU请求一个中断,然后CPU首先先通过PCI总线把该PCI设备的数据读取到CPU内部的寄存器中,然后再把数据从内部寄存器写入到内存(SDRAM)中。

现在看来,这种传输方式的效率还是很低的。首先,每次CPU和PCI设备以及SDRAM通信都需要额外的时钟周期(相对于DMA);其次,这种传输方式还需要长时间地占用CPU,影响CPU的使用率。试想一下,你在用PC在线观看一个1080p60的高清视频,这需要以太网连续地向内存(SDRAM)中写入数据,如果使用PIO的方式的话,将难以保证数据的写入速度。随着目前的PCI外设速度越来越高,PIO已经逐渐被DMA传输方式所取代,但是为了兼容早期的一些设备,PCI Spec依然保留了PIO。


DMA,即Direct Memory Access 

DMA是一种在传输过程中,几乎不需要CPU进行干预的数据传输方式。如上面的图片所示,以太网可以直接向内存(SDRAM)中写入数据,而几乎不需要CPU的干预。实际上,DMA不仅仅应用于PCI总线系统中,它是一种更为广泛应用的数据传输方式。目前,几乎所有的CPU,甚至是MCU都支持DMA。具体这里就不详细地介绍了,有兴趣的可以参考百度百科:https://baike.baidu.com/item/DMA/2385376?fr=aladdin或者其它的资料。


Peer-to-Peer

前面的文章中,我们介绍过PCI总线系统中的主机身份并不是固定不变的,而是可以切换的(借助仲裁器),但是同一时刻只能存在一个主机。完成Peer-to-Peer这一传输方式的前提是,PCI总线系统中至少存在一个有能力成为主机的设备。在仲裁器的控制下,完成主机身份的切换,进而获得PCI总线的控制权,然后与总线上的其他PCI设备进行通信。不过,需要注意的是,在实际的系统中,Peer-to-Peer这一传输方式却很少被使用,这是因为获得主机身份的PCI设备(Initiator)和另一个PCI设备(Target)通常采用不同的数据格式,除非他们是同一个厂家的设备。