《PCI Express体系结构导读》随记 —— 第I篇 第2章 PCI总线的桥与配置（10）

接前一篇文章：《PCI Express体系结构导读》随记 —— 第I篇 第2章 PCI总线的桥与配置（9）

2.2 HOST主桥

MPC8548处理器的拓扑结构如图2-2所示：

2.2.4?x86处理器的HOST主桥

x86处理器使用南北桥结构连接CPU和PCI设备。其中北桥（North Bridge）连接快速设备，如显卡、和内存条，并推出PCI总线，HOST主桥包含在北桥中；而南桥（South Bridge）连接慢速设备。x86处理器使用的南北桥结构如图2?6所示：

Intel使用使用南北桥概念统一PC架构。但是从体系结构的角度上看，南北桥架构并不重要，北桥中存放的主要部件不过是存储器控制器、显卡控制器和HOST主桥而已；而南桥存放的是一些慢速设备，如ISA总线和中断控制器等。

不同的处理器系统集成这些组成部件的方式并不相同。如PowerPC、MIPS和ARM处理器系统通常将CPU和主要外部设备都集成到一颗芯片中，组成一颗基于SoC架构的处理器系统。这些集成方式并不重要，每一个处理器系统都有其针对的应用领域，不同应用领域的需求对处理器系统的集成方式有较大的影响。Intel采用的南北桥架构针对x86处理器的应用领域而设计，并不能说采用这种结构一定比MPC8548处理器中既含有HOST-to-PCI主桥也含有HOST-to-PCIe主桥更为合理。

在许多嵌入式处理器系统中，既含有PCI设备也含有PCIe设备，为此MPC8548处理器同时提供了PCI总线和PCIe总线接口。在这个处理器系统中，PCI设备可以与PCI总线直接相连，而PCIe设备可以与PCIe总线直接相连，因此并不需要使用PCIe桥扩展PCI总线，从而在一定程度上简化了嵌入式系统的设计。

嵌入式系统所面对的应用千姿百态，进行芯片设计时所要考虑的因素相对较多，因而在某种程度上为设计带来了一些难度；而x86处理器系统所面对的应用领域针对个人PC和服务器，向前兼容和通用性显得更加重要。在多数情况下，一个通用处理器系统的设计难过专用处理器系统的设计，Intel为此付出了极大的代价。

在一些相对较老的北桥中，如Intel 440系列芯片组中包含了HOST主桥，从系统软件的角度上看HOST-to-PCI主桥实现的功能与HOST-to-PCIe主桥实现的功能相近。本节仅简单介绍Intel的HOST-to-PCI主桥如何产生PCI的配置周期。

x86处理器定义了两个I/O端口寄存器，分别为CONFIG_ADDRESS和CONFIG_DATA寄存器，其地址为0xCF8和0xCFC，x86处理器使用这两个I/O端口访问PCI设备的配置空间。PCI总线规范也以这个两个寄存器为例，说明处理器如何访问PCI设备的配置空间。其中，CONFIG_ADDRESS寄存器存放PCI设备的ID号，而CONFIG_DATA寄存器存放进行配置读写的数据。CONFIG_ADDRESS寄存器与PowerPC处理器中的CFG_ADDR寄存器的使用方法类似，而CONFIG_DATA寄存器与PowerPC处理器中的CFG_DATA寄存器的使用方法类似。CONFIG_ADDRESS寄存器的结构如图2?7所示：

• Enable位，第31位。该位为1时，对CONFIG_DATA寄存器进行读写时将引发PCI总线的配置周期。
• Bus Number字段，第23~16位，记录PCI设备的总线号。
• Device Number字段，第15~11位，记录PCI设备的设备号。
• Function Number字段，第10~8位，记录PCI设备的功能号。
• Register Number字段，第7~2位，记录PCI设备的寄存器号。

当x86处理器对CONFIG_DATA寄存器进行I/O读写访问，且CONFIG_ADDR寄存器的Enable位为1时，HOST主桥将这个I/O读写访问转换为PCI配置读写总线事务，然后发送到PCI总线上；PCI总线根据保存在CONFIG_ADDR寄存器中的ID号，将PCI配置读写请求发送到指定PCI设备的指定配置寄存器中。

x86处理器使用小端地址模式，因此从CONFIG_DATA寄存器中读出的数据不需要进行模式转换，这点和PowerPC处理器不同，此外x86处理器的HOST主桥也实现了存储器域到PCI总线域的地址转换，但是这个概念在x86处理器中并不明晰。

本节不对x86处理器的HOST主桥做进一步说明。由于x86处理器系统的升级速度较快，因此目前在x86的处理器体系结构中，已很难发现HOST主桥的身影。

目前Intel对南北桥架构进行了升级，其中北桥被升级为MCH（Memory Controller Hub），而南桥被升级为ICH（I/O Controller Hub）。x86处理器系统在MCH中集成了存储器控制器、显卡芯片和HOST-to-PCIe主桥，并通过Hub Link与ICH相连；而在ICH中集成了一些相对低速总线接口，如AC’97、LPC（Low Pin Count）、IDE和USB总线，当然也包括一些低带宽的PCIe总线接口。

在Intel的Nehelem处理器（Nehalem处理器也称Core i7处理器）系统中，MCH被一分为二：存储器控制器和图形控制器已经与CPU内核集成在一个Die中；而MCH剩余的部分与ICH合并成为PCH（Peripheral Controller Hub）。但是从体系结构的角度上看，这些升级与整合并不重要。

目前Intel在Menlow（Menlow平台于2008年3月发布，其目标应用为MID（Mobile Internet Device）设备。Menlow平台基于低功耗处理器内核Atom。）平台基础上，计划推出基于SoC架构的x86处理器，以进军手持设备市场。在基于SoC构架的x86处理器中将逐渐淡化Chipset的概念，其拓扑结构与典型的SoC处理器，如ARM和PowerPC处理器，较为类似。?

至此，第2章第2节“HOST主桥”全部结束。