PCI、PCI-X和PCI Express的原理及体系结构 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学

作者:马鸣锦 朱剑冰等

出品人:

页数:420

译者:

出版时间:2007-4

价格:38.00元

装帧:

isbn号码:9787302144380

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《PCI、PCI-X与PCI Express：从底层原理到现代架构》 内容梗概： 本书深入剖析了现代计算机系统中至关重要的三大总线技术：PCI、PCI-X以及PCI Express。它不仅详细阐述了这些接口的底层工作原理、设计哲学以及演进历程，更聚焦于它们在不同时期如何支撑起高性能计算、外设互联以及系统扩展的核心需求。本书旨在为读者提供一个全面、系统且深入的视角，理解这些总线技术如何成为连接处理器、内存与各种 I/O 设备不可或缺的桥梁，以及它们如何随着技术进步不断革新，为日益复杂的计算任务提供强大的支持。 第一部分：PCI（Peripheral Component Interconnect）—— 奠定基石的总线 在个人计算机的早期发展阶段，各种外设和扩展卡之间的通信方式往往是碎片化且效率低下的。PCI总线的出现，标志着计算机总线技术迈入了标准化和高性能的新纪元。本书的第一部分将详细回顾PCI总线的诞生背景、设计目标及其核心技术。 历史沿革与设计理念： 追溯PCI总线从ISA（Industry Standard Architecture）等早期总线向更高效、更灵活的总线演进的历史轨迹。深入探讨PCI设计团队当初面临的技术挑战以及为解决这些挑战而提出的关键设计理念，例如总线主控（Bus Mastering）、冲突检测与仲裁（Arbitration）、突发传输（Burst Transfer）等。 PCI总线架构详解： 详细解析PCI总线的物理层和逻辑层架构。 物理层： 介绍PCI总线的信号线定义、电气特性、引脚布局以及插槽规范。重点阐述地址/命令线（AD）、控制/状态线（C/BE）、时钟信号（CLK）、复位信号（RST）等关键信号的作用。 逻辑层： 深入剖析PCI的事务模型（Transaction Model）。 事务类型： 详细讲解PCI的各种事务类型，包括读事务（Read Transactions）、写事务（Write Transactions）、配置读写（Configuration Read/Write）以及中断（Interrupt）等。 数据传输机制： 重点讲解PCI如何实现突发传输。解释地址计数器（Address Counter）、数据缓冲（Data Buffers）以及信号线的使用，说明突发传输如何通过一次地址传输后连续传输多个数据块，从而显著提高数据吞吐量。 总线主控（Bus Mastering）： 详细阐述总线主控的概念，解释为何它能打破CPU对总线的垄断，允许外设直接发起数据传输，从而解放CPU，提高系统整体效率。 总线仲裁（Bus Arbitration）： 深入剖析PCI的仲裁机制，理解多个设备如何通过仲裁器（Arbiter）协商获得总线使用权，避免冲突，确保数据的有序传输。 配置空间（Configuration Space）： 详细解析PCI设备的配置空间。解释该空间存储了设备ID、厂商ID、设备功能描述、资源需求（如I/O端口、内存地址、中断线）等关键信息，以及CPU如何通过配置读写事务来访问和配置这些信息，实现即插即用（Plug and Play）功能。 PCI信号时序与握手协议： 详细讲解PCI总线上的信号时序图，解释REQ、GNT、FRAME、IRDY、DEVSEL、TRDY等关键信号在数据传输过程中的握手过程。通过分析典型的读写事务时序，让读者清晰理解数据是如何在设备之间进行交换的。 PCI中断机制： 阐述PCI中断的产生、传播和处理过程。解释中断请求线（INTA, INTB, INTC, INTD）的作用，以及中断控制器如何将这些中断信号映射到CPU的中断向量。 PCI设备的分类与功能： 介绍常见的PCI设备类型，如显卡（Graphics Cards）、网卡（Network Interface Cards）、声卡（Sound Cards）、SCSI控制器（SCSI Controllers）等，以及它们在PCI总线上的互联和协作。 PCI的局限性： 在肯定PCI巨大贡献的同时，也指出其在带宽、延迟、电源管理以及可扩展性方面存在的局限性，为后续PCI-X和PCI Express的出现奠定铺垫。 第二部分：PCI-X（PCI Extended）—— 性能的飞跃与对标企业级需求 随着计算机性能的不断提升，以及服务器、存储等企业级应用对高性能 I/O 的迫切需求，原有的PCI总线逐渐显露出瓶颈。PCI-X应运而生，它在保留PCI兼容性的基础上，通过一系列关键改进，显著提升了总线性能，并解决了PCI在高端应用中的一些痛点。 PCI-X的诞生背景与目标： 阐述PCI-X诞生的原因，即原有PCI在面对日益增长的数据吞吐量需求时（如RAID控制器、千兆网卡、高性能网络处理器等）的性能瓶颈。明确PCI-X旨在提供更高的总线频率、更大的带宽，并保持对PCI设备的兼容性。 PCI-X的核心改进与技术： 更高的总线频率： 详细解释PCI-X如何通过提高总线时钟频率（如66MHz, 100MHz, 133MHz）来直接提升数据传输速率。 宽总线支持： 介绍PCI-X如何支持64位总线宽度，并与32位PCI设备协同工作。 降低延迟： 阐述PCI-X如何通过优化握手协议和减少时钟周期来降低传输延迟。 猝发长度（Burst Length）的优化： 讲解PCI-X如何通过更精细的猝发长度控制，实现更高效的数据传输。 PCI-X的协议扩展： 介绍PCI-X在协议层面增加的一些特性，例如命令重叠（Command Overlap）和数据重叠（Data Overlap），这些技术能够进一步提升总线的并行处理能力和整体吞吐量。 PCI-X与PCI的兼容性： 详细分析PCI-X如何与PCI设备在同一总线上工作。解释PCI-X的主设备（Master）和目标设备（Target）如何协商速度和宽度，确保混合环境下的正常运行。 PCI-X的拓扑结构与电气特性： 探讨PCI-X的拓扑结构，包括主板上的PCI-X插槽布局，以及与PCI的区别。分析PCI-X在电气特性上的改进，以及如何支持更长的总线布线。 PCI-X在企业级应用中的价值： 重点介绍PCI-X在服务器、存储区域网络（SAN）、高性能网络设备等领域所扮演的关键角色。说明PCI-X如何显著提升了RAID控制器、光纤通道适配器（Fibre Channel Adapters）、高性能网卡等设备的性能，从而满足企业级应用严苛的I/O需求。 PCI-X的局限性与向PCI Express的过渡： 指出PCI-X虽然性能强大，但在可扩展性（物理连接限制）、功耗、以及对点对点（Point-to-Point）和串行通信趋势的适应性方面仍有不足，为PCI Express的出现指明了方向。 第三部分：PCI Express（PCIe）—— 串行通信与现代架构的基石 PCI Express代表了计算机总线技术的根本性转变，它从并行的、共享的总线架构转向了点对点的、串行的、基于交换的架构。PCIe不仅提供了远超PCI和PCI-X的性能，更在灵活性、可扩展性、功耗和功耗管理等方面取得了巨大进步，成为当今几乎所有高性能计算平台和外设的标准接口。 PCI Express的革命性设计： 串行与点对点通信： 详细阐述PCIe从并行总线转向串行通信的根本原因。解释串行通信如何克服并行总线在高频下的信号完整性问题，以及如何通过增加通道数量（Lanes）来扩展带宽。重点讲解点对点连接的优势，即每个设备都拥有独立的连接，无需与其他设备共享带宽，大大消除了总线冲突和瓶颈。 交换架构（Switched Fabric）： 深入解析PCIe的交换架构。介绍PCIe交换机（Switch）的作用，它负责连接多个PCIe设备，实现设备间的智能路由和流量管理，如同网络中的交换机一样。 Lane与Link的概念： 详细解释PCIe的“Lane”（通道）是进行串行数据传输的基本单元，以及多个Lane组成的“Link”可以聚合带宽。讲解x1, x2, x4, x8, x16等Lane配置如何对应不同的带宽。 PCI Express的协议栈： 详细解析PCIe复杂的协议栈，包括： 物理层（Physical Layer）： 介绍PCIe的物理接口，包括连接器类型、差分信号传输、编码方式（如8b/10b编码）等。 数据链路层（Data Link Layer）： 解释该层如何提供可靠的传输，包括流量控制（Flow Control）、错误检测与纠错（Error Detection and Correction）。 传输层（Transaction Layer）： 讲解PCIe如何将TLP（Transaction Layer Packet）进行封装、路由和分发，实现对不同事务的抽象处理。 软件层（Software Layer）： 简要介绍PCIe的软件接口和驱动程序的交互方式。 PCI Express的事务模型（TLP）： 详细解析TLP的结构和类型，包括内存读写TLP、IO读写TLP、配置读写TLP、消息TLP（Message TLP）等。解释TLP如何承载各种数据和控制信息，实现设备间的通信。 PCI Express的拓扑结构与连接： 详细讲解PCIe的拓扑结构，从CPU到芯片组，再到各个I/O设备。分析主板上PCIe插槽（如x16插槽用于显卡，x4/x1插槽用于其他设备）的布局与意义。 PCI Express的版本演进与性能提升： 详细介绍PCIe不同版本（如PCIe 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0，以及最新的6.0和7.0）的带宽提升情况。每代版本在数据传输速率、信噪比、编码方式等方面的关键改进。 PCI Express的高级特性： QoS（Quality of Service）支持： 讲解PCIe如何通过QoS机制，为不同类型的数据流提供不同级别的服务，保证关键任务的实时性。 电源管理（Power Management）： 详细阐述PCIe的L0-L3等不同电源状态（Power States），解释这些状态如何实现精细的功耗控制，以满足现代设备对节能的需求。 SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）： 讲解SR-IOV技术如何通过硬件虚拟化，将物理PCIe设备（如网卡）的多个实例直接分配给虚拟机，显著提升虚拟化环境下的I/O性能。 热插拔（Hot-plugging）支持： 介绍PCIe如何支持在系统运行状态下添加或移除设备，极大地增强了系统的灵活性和可用性。 PCI Express在现代计算平台中的应用： 广泛介绍PCIe在图形处理器（GPU）、固态硬盘（SSD，尤其是NVMe）、高性能网络接口卡（NIC）、CPU的直连（如CPU直接连接GPU和NVMe）等领域的广泛应用。分析PCIe如何成为支撑现代数据中心、高性能计算（HPC）、游戏 PC 以及各类嵌入式系统高性能 I/O 的核心技术。 总结与展望： 本书在对PCI、PCI-X和PCI Express这三大关键总线技术进行深入剖析的同时，还强调了它们之间在设计理念、技术演进和应用场景上的联系与区别。通过对这三代总线技术的全面学习，读者不仅能够深刻理解计算机硬件系统是如何实现高效互联的，更能洞察未来计算架构的发展趋势。本书旨在为硬件工程师、系统设计师、固件开发者以及对计算机体系结构感兴趣的研究者和学生提供一份宝贵的技术参考。 目标读者： 对计算机体系结构感兴趣的工程师和技术人员。 从事硬件设计、嵌入式系统开发、主板设计、显卡设计、存储设备设计等领域的专业人士。 学习计算机硬件、总线技术、接口技术等相关课程的大学和研究生。 希望深入理解计算机底层通信机制的 IT 从业人员。

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对于我这样的硬件爱好者而言，这本书最大的魅力在于其学术的严谨性与工程的实用性达到了一个极佳的平衡点。它不只是在介绍“是什么”，更是在深挖“为什么会这样设计”。例如，在讲解PCI Express的链路层协议时，作者对TLP（Transaction Layer Packet）和DLLP（Data Link Layer Packet）的结构进行了近乎苛刻的拆解，这对于理解现代高速串行通信的基础架构至关重要。它没有回避复杂的握手协议和错误校验机制，反而将这些看似晦涩难懂的部分，通过清晰的图示和简洁的数学模型展现出来。这让我意识到，我们现在习以为常的“即插即用”背后，是多么精密的协议设计和状态机控制在默默维持着秩序。读完这部分，我对高性能I/O的敬畏感油然而生。

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总的来说，这是一本能让人静下心来啃读的宝典，它不适合那些只想了解如何配置显卡的读者，而是为那些立志于深入理解计算机系统底层互联技术的专业人士准备的。书中的语言风格非常克制，几乎没有使用任何夸张的形容词，一切都以事实和数据说话，给人一种非常可靠的感觉。它成功地将一个看似已经成熟的技术领域，重新梳理出新的脉络和深度，让读者看到了这些经典总线架构在今天依然具有的参考价值。如果你想从“使用”PCIe转向“设计”基于PCIe的系统，或者仅仅是想补全自己在PC体系结构上的知识短板，这本书绝对是书架上不可或缺的一员，它提供的知识密度，绝对值回票价。

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这本书的排版和插图，虽然没有采用时下流行的扁平化设计风格，但却有一种令人安心的权威感。那些密集的电路图和协议栈流程图，乍一看可能会让人望而却步，但一旦你跟着作者的思路走下去，就会发现每条线、每个箭头都有其存在的意义。例如，关于PCI Express的拓扑结构，书中用大量的示意图展示了端点（Endpoint）、根复合体（Root Complex）以及交换机（Switch）之间的互联关系，这比阅读官方规范中干巴巴的文字描述要直观得多。我特别喜欢其中穿插的“设计陷阱与规避策略”小节，这些基于实战经验的总结，为读者提供了宝贵的“避坑指南”，让抽象的理论立刻落地生根，变得有血有肉，充满实操价值。

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这本书的封面设计着实抓人眼球，那种带着一丝复古工业风的排版，一下子就把你拉回了那个PC架构高速演进的黄金年代。我拿起这本书，首先感受到的是作者对技术细节的极致追求，尽管我对PCI、PCI-X以及Express这些技术栈的理解还停留在“能用就行”的层面，但这本书显然不是给新手准备的速成手册。它更像是一本技术字典，每一页都沉甸甸地压着扎实的硬件知识。我尤其欣赏其中对于总线仲裁机制的深入剖析，那种对时序图和信号完整性的描绘，即使隔着纸面，也能感受到数据在总线上传输时的紧张感。这本书的深度，足以让一个经验丰富的嵌入式工程师重新审视自己日常工作中习以为常的那些“黑盒”接口。它没有过多地去渲染新技术的光环，而是专注于把基础打牢，探讨为什么这些技术会以特定的方式被设计出来，这才是硬核技术书籍的价值所在。

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读罢前几章，我最大的感受是作者的叙事逻辑极其严谨，仿佛带领我们进行了一场跨越时空的工程考古。对于早期的PCI总线，书中对它如何克服传统ISA总线的瓶颈，以及引入突发模式（Burst Mode）的精妙之处，进行了细致入微的阐述。这种层层递进的讲解，让我清晰地理解了技术演进的内在驱动力——性能与兼容性的永恒博弈。特别是它对事务层的描述，不再是简单的“读/写请求”，而是深入到地址解析、数据打包以及异常处理的整个生命周期，这对于那些需要进行底层驱动开发或者FPGA仿真的工程师来说，简直是如获至宝。书中对于不同版本规范之间的细微差异，比如时钟频率的步进、电压规范的调整，都有非常精准的对比，这避免了许多实践中常见的“版本兼容性”陷阱。

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一本没多少人发现的瑰宝，多少人致力于当今大数剧，人工智能，开发多好软件，能愿意看看底层的交互的原理的几乎没有了，无论是硬件还是学习驱动的人，这本书都应该是不可或缺的，当我读到linux源代码关于PCI的时候，找了很多书，但是像这本这样的清晰的很少，当然国内确实比较少这样的书了。

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