Peripheral Component Interconnect

Peripheral Component Interconnect, meist PCI abgekürzt, ist ein Bus-Standard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Prozessors.

Es gibt zahlreiche Varianten und Einsatzgebiete des Standards (PC, Industrie, Telekommunikation). Die bekannteste Variante kommt hauptsächlich im PC-Umfeld zum Einsatz und heißt offiziell PCI Conventional. Praktisch jeder seit ca. 1994 gebaute IBM-PC-kompatible Computer ist mit meist zwei bis sieben Steckplätzen für PCI-Karten ausgerüstet (ausgenommen Miniatur- und mobile Versionen). Auch neuere Computer von Apple (von 1995 bis 2005, später dann PCI Express) und Workstations von Sun besitzen einen PCI-Bus. In die Steckplätze können allerlei Karten vieler Hersteller eingesetzt werden, darunter Netzwerkkarten, Modems, SCSI-Karten, Soundkarten, (ältere oder Zweit-)Grafikkarten, Karten mit einem Parallel-Druckeranschluss oder mit zusätzlichen USB-Steckplätzen. Damit kann ein PC leicht an spezielle Bedürfnisse angepasst werden.

Versionen und Geschichte 
Version 1.0 des Standards wurde von Intel im Jahre 1991 definiert. Intel unterstützte den VESA Local Bus (VLB) nicht, da dieser speziell auf die 486-Architektur zugeschnitten war und weniger Durchsatz bot. Im Gegensatz dazu kann der PCI-Bus in jeder Architektur eingesetzt werden.

Mittlerweile existieren drei verschiedene Standards:
 Konventioneller PCI
 PCI 1.0, vorgeschlagen von Intel 1991
 PCI 2.0, eingeführt von PCI-SIG 1993
 PCI 2.1, beschlossen im Juni 1995
 PCI 2.2, beschlossen im Januar 1999
 PCI 2.3, beschlossen im März 2002
 PCI 3.0, beschlossen im April 2004
 PCI-Extended (PCI-X)
 PCI-X 1.0, beschlossen im September 1999
 PCI-X 2.0, beschlossen im Juli 2002
 PCI Express (PCIe oder PCI-E)
 ursprünglich bekannt als 3GIO
 PCI Express 1.0, beschlossen Juli 2002
 PCI Express 1.1
 PCI Express 2.0, beschlossen 2007
 PCI Express 2.1
 PCI Express 3.0, beschlossen 2010
 PCI Express 4.0, beschlossen 2017
 PCI Express 5.0, beschlossen 2019

Der PCI-Bus hat den ISA-Bus und den kurzlebigen VL-Bus, wie man sie in älteren PCs findet, ersetzt. Eine PCI-ISA-Bridge erlaubt jedoch die Anbindung des ISA-Busses an den PCI-Bus. Auf Systemen der Pentium-Generation und neuer ist das die einzige Möglichkeit, ISA-Karten anzubinden, da es sich beim ISA-Bus um den nach außen gelegten Systembus des Ur-PCs handelt. Der PCI-Bus erfüllte die Anforderungen für Grafik-, Netzwerk- und andere Schnittstellenkarten über längere Zeit.

Allerdings war er nach einiger Zeit nicht mehr schnell genug für die damals aufkommenden Grafikkarten mit 3D-Beschleunigung. 1997 etablierte man daher zusätzlich den Accelerated Graphics Port (AGP). Dieser baut auf dem PCI-Bus auf, ist jedoch als Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit ergänzenden Seitenkanälen ausgeführt und wurde mittlerweile bis zum 8-fachen seiner ursprünglichen Übertragungsrate weiter entwickelt. Für so gut wie alle anderen Steckkartentypen blieb PCI dagegen bis heute Standard, wird aber seit 2005 schrittweise durch PCI Express ersetzt (siehe unten).
Aktuell (Stand 2019) ist PCI Express 4.0 auf dem Markt, der durch Grafikkarten wie die AMD Radeon RX 5700 XT erforderlich ist, um die Bandbreite auch ausnutzen zu können.

Anders als der ISA-Bus ermöglicht PCI die dynamische Konfiguration eines Gerätes ohne Eingriff des Benutzers. Während des Bootvorgangs analysiert das System-BIOS die vorhandenen PCI-Geräte und weist die benötigten Ressourcen zu. Das erlaubt die Zuweisung von IRQs, Portadressen und Speicherbereichen entsprechend den lokalen Gegebenheiten. Bei ISA-Karten musste man häufig den zu verwendenden IRQ etc. per Steckbrücke manuell einstellen. Zusätzlich stellt der PCI-Bus dem Betriebssystem und anderen Programmen eine detaillierte Beschreibung aller verbundenen PCI-Geräte durch den PCI Configuration Space zur Verfügung.

Die PCI-Spezifikation regelt auch die physische Auslegung des Busses (u. a. den Abstand der Leiterbahnen zueinander), elektrische Eigenschaften, Timing und Protokolle. Die Geräte oder Schnittstellen müssen nicht unbedingt auf Steckkarten untergebracht werden, sondern können sich auch direkt auf der Hauptplatine des Computers befinden, die Spezifikation spricht hier von planar devices.

Allgemeine PCI-Bus-Spezifikationen 

Der PCI-Bus ist ein synchroner Bus mit 33,33 MHz (= 30 ns pro Takt) oder nach der 2.1-Spezifikation 66,66 MHz Taktrate, also 15 ns pro Takt. Diese Werte sind Maximalwerte, nach der Spezifikation kann der Takt auch niedriger und zudem variabel sein, beispielsweise zum Stromsparen. Deshalb hat der Bus eine Taktleitung. Alle Signale werden nur bei steigender Taktflanke übertragen (Single Data Rate). Die Signale können über CMOS-Treiber angesteuert werden, daher ist der gesamte Stromverbrauch relativ gering. Der Bus kann mit bis zu 10 Geräten bestückt werden, wobei zwischen Master (Kontrolleur der Übertragung) und Slave (muss vielleicht auf Daten (oder Befehle) warten) unterschieden wird. Ein Master kann bei Bedarf selbst die Kontrolle über Abläufe auf dem Bus übernehmen, was vor allem für Karten mit hohem IO-Aufkommen, wie etwa Netzwerkkarten oder Festplatten-Controller, vorteilhaft ist. Als Geräte zählen auch auf der Hauptplatine untergebrachte Geräte, die Verbindung zum Host (PCI/Host-Schnittstelle) oder zu einem eventuell vorhandenen ISA-Bus (PCI/ISA-Schnittstelle) aufnehmen. Für mehr als 10 PCI-Geräte pro System können über PCI/PCI-Schnittstellen (PCI-PCI-Bridge) weitere PCI-Busse in das System eingebunden werden. Die Datenübertragung läuft parallel ab.

Auf dem PCI-Bus kommuniziert immer ein Master mit einem Slave. Die meisten PCI-Geräte können sowohl als Slave angesprochen werden als auch als Master Transaktionen starten. Über einen Arbiter wird ein Master ausgewählt, der dann die Kontrolle über den Bus hat. Er beginnt einen Transfer, indem er eine Adresse an die 32 Daten/Adressleitungen und ein Kommando an 4 Kommando/Byte-Leitungen anlegt. Die Daten und Adressen werden über dieselben Leitungen übertragen und per Zeitmultiplexverfahren voneinander getrennt. Eine zusätzliche Paritätsleitung erlaubt das Erkennen von Fehlern.

CPU und Arbeitsspeicher sind über eine sogenannte Host-Bridge mit dem Bus verbunden. Die meisten Transaktionen auf dem Bus finden zwischen dieser Bridge und den restlichen Peripheriegeräten statt. Theoretisch können Peripheriegeräte auch untereinander kommunizieren, diese Möglichkeit wird jedoch nur sehr selten genutzt und von den meisten Bridges nur optional unterstützt. Da masterfähige Peripheriegeräte die Hostbridge als Slave ansprechen können, sind sie in der Lage, direkt in den Arbeitsspeicher zu schreiben und aus ihm zu lesen – das entspricht Direct Memory Access (DMA).

Jedem Slave werden beim Systemstart vom BIOS Adressbereiche zugeteilt. Über Herstellercodes können Karten nach dem Hochfahren eindeutig identifiziert werden. Über die Datenleitungen werden dann Daten übertragen, wobei die Kommando/Byte-Leitungen zur Auswahl der Bytes im 32-Bit-Wort dienen können. Dadurch sind neben 32-Bit- auch 16- und 8-Bit-Transfers möglich.

In der am weitesten verbreiteten PCI-Variante mit 32 bit/33 MHz können in jedem Takt maximal 32 Bit, d. h. 4 Bytes übertragen werden, so dass die Transferrate maximal 133 MByte/s beträgt (4 Bytes in 30 ns). Über Ready-Leitungen kann sowohl der Master als auch der Slave signalisieren, dass sie zur Aufnahme von Daten bereit sind. Falls Master oder Slave nicht bereit sind, werden keine Daten übertragen, die Übertragung wird angehalten oder gebremst.

Normalerweise beendet der Master den Datentransfer. Über ein STOP-Signal kann der Slave ein Übertragungsende erzwingen. Ein anderer Master kann den Bus über REQ anfordern, wobei die derzeitige Übertragung nach einer vorgegebenen Latenzzeit beendet werden muss und der neue Master den Bus übernehmen kann.

Der PCI-Bus benötigt minimal 47 (Slave) bzw. 49 (Master) Signale auf dem Bus. Ab der Version 2.1 der Spezifikation ist eine 64-Bit-Erweiterung definiert, die den Datenbus auf 64 Bit verbreitert. In einem System können 32-Bit- und 64-Bit-Geräte koexistieren und miteinander kommunizieren.

Auf dem Bus liegen vier Interruptleitungen, so dass jedes Gerät bis zu vier verschiedene Interrupts (INTA bis INTD) erzeugen kann. Die Interruptleitungen sind auf dem Bus aber nicht verbunden, sondern können einzeln geroutet und zugeordnet werden. Normalerweise wird nur INTA verwendet. Dieser kann jedoch je nach Steckplatz einem eigenen Interrupt zugeordnet werden oder, falls nicht genügend Interrupts vorhanden sind, zwischen verschiedenen Karten geteilt werden. Die Probleme des ISA-Busses, der oft zu wenig Interrupts zuordnen konnte, sind damit weitgehend Vergangenheit.

Der PCI-Bus versorgt die angeschlossenen Geräte mit Spannung. Für jede Versorgungsspannung ist die maximal zulässige Stromstärke festgelegt.
Weiterhin ist die Gesamtleistung pro Steckplatz auf 25 Watt begrenzt.

PCI-Bus-Signale 
Die Art der Ein- und Ausgänge lassen sich wie folgt einteilen:

Signale auf dem PCI-Bus – das #-Zeichen deutet an, dass die Signale Low Active sind.

PCI-ID 
Jedes Gerät bzw. Steckkarte an einem PCI-Bus besitzt eine eindeutige Hardware-Kennung (ID). Diese setzt sich aus drei Teilen zusammen, die zur Identifikation von Funktion (Class-ID), Hersteller und Modell (Geräte-ID) dienen.

     Class-ID : Hersteller-ID : Geräte-ID

Beispiel:

     0200:8086:10B5

Hierbei steht:
 0200 für einen Ethernet Network Controller
 8086 für die Intel Corporation (die Zahl ist zwar hexadezimal, aber die Ziffern würden bei Dezimalschreibweise für Intels Urvater der x86-Architektur stehen)
 10B5 für das Gerät 82546GB Gigabit Ethernet Controller (Copper)

Über die Class-ID wird das Gerät einer bestimmten Gruppe zugeordnet. Das erleichtert die Ermittlung unbekannter Geräte.

Operationen auf dem PCI-Bus 
Nach der Konfiguration aller Geräte durch das BIOS können alle Geräte über ein Befehlsprotokoll angesprochen werden. Dieses setzt sich aus dem Befehl, der Adresse und einer Folge von Daten zusammen.

Auf  reserviert-Befehle dürfen PCI-Geräte nicht reagieren.

Grundlegende PCI-Varianten 
 PCI Conventional, erlaubt Busbreiten von entweder 32 oder 64 Bit und Übertragungen mit 33 oder 66 MHz Takt (133 bis 533 MByte/s)
 PCI-X, 64-Bit-Version von PCI Conventional mit 66, 100 oder 133 MHz Takt (533, 800 oder 1067 MByte/s)
 PCI-X 266 (PCI-X DDR/QDR), PCI-X mit 266 MHz Nominaltakt (2133 bis 4266 MByte/s)
 Mini PCI, kleinere Bauform, nur 32 Bit, für Notebooks etc.
 PC Card oder Cardbus, externe Karten (Nachfolger von PCMCIA), kleinere Bauform, 32 Bit, für Notebooks etc.
 CompactPCI, elektrisch voll PCI-kompatibel, jedoch in Form von Einschüben mit 3 bzw. 6 HE
 PXI, für die Messtechnik optimierte Weiterentwicklung des CompactPCI
 PCI Low-Profile, halbe Bauhöhe, 32 oder 64 Bit, siehe Tabelle
 PC/104-Plus, PCI-104 und PCI/104-Express, voll PCI-kompatibel für Stapelcomputer, Nachfolger von PC/104
 ASUS Media Bus, proprietäre Lösung für die Erweiterung des PCI-Steckplatzes um einen ISA-Anschluß für kombinierte Grafik- und Soundkarten, bzw. kombinierte SCSI-Controller und Soundkarten
 PCI Express (PCIe), wird als Standardsockel für Grafik- und Zusatzkarten (wie z. B. RAID-Controller) benutzt.
 ExpressCard, externe Karten (Nachfolger der 32 Bit PC Card), zu PCIe kompatibel, kleinere Bauform, PCI-Express-1x-Schnittstelle (1 Lane), für Notebooks etc.

Abmessungen der PCI-Varianten

Kodierung der Kontaktleiste 

 3,3-V-kompatible Karten haben eine Kerbe links (Richtung Slotblech)
 5-V-kompatible Karten haben eine Kerbe rechts
 Universalkarten haben beide Kerben

 Slots nach PCI 2.x haben einen Steg rechts (die dem Slotblech abgewandte Seite). Die PCI 2.3-Spezifikation unterstützt zwar keine 5-V-Karten mehr, diese passen aber dennoch physisch in den Slot. Einige Mainboards unterstützen allerdings trotzdem noch 5-V-Karten in PCI-2.3-Slots. Das geht aber nur mit 33 MHz PCI Takt. →Mainboardspezifikation konsultieren.
 Slots nach PCI 3.0 haben einen Steg links (Richtung Slotblech), so dass nur noch 3,3-V- und Universalkarten mit der entsprechenden Kerbe eingesteckt werden können.

Andere PCI-Varianten 
 PXI ist ein auf PCI-Technik basierender Bus, welcher für die besonderen Anforderungen in der Mess- und Automatisierungstechnik optimiert wurde.
 Extended PCI (PCI-X)
 PCI Express (zuerst 3GIO genannt [Eingabe/Ausgabe der dritten Generation], Abkürzung PCIe oder PCI-E) ist im Gegensatz zum PCI-Bus auf der elektrischen Ebene eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung, die aber PCI-Signalisierung und -Programmiertechniken verwendet und daher von Betriebssystem und Software wie PCI behandelt werden kann. Seit 2004 ersetzt PCI Express schrittweise sowohl PCI als auch AGP. Sie ist nicht kompatibel zu PCI oder AGP.

Powermanagement mit PCI 
Die Energiesparfunktionen für den PCI-Bus sind Teil einer optional zu implementierenden Spezifikation, die zeitlich zwischen den PCI-Versionen 2.1 und 2.2 angesiedelt ist. Jedes PM-fähige Gerät hat ein zusätzliches 8 Byte langes Feld im Configuration Space, über das es mitteilen kann, welche Energiespar-Modi es unterstützt und entsprechend gesteuert werden kann. Jedes PCI-Gerät kann sich in einem von vier möglichen Operationsmodi befinden (D0-D3). Je höher die Nummer, desto weniger Energie verbraucht das Gerät. Auch wenn ein Gerät nichts von PCI-Powermanagement weiß, unterstützt es die Modi D0 und D3, da diese äquivalent zu an und aus sind. Ob und wie viel Energie in den dazwischen liegenden Modi gespart werden kann, liegt im Ermessen des Hardware-Herstellers. Ein Gerät kann aus einem bestimmten Modus in alle „darunter“ liegenden Modi wechseln, sowie aus jedem Modus in den Zustand D0.

Obwohl man Geräte durchaus manuell, während des laufenden Betriebes, in einen anderen Energiesparmodus bringen kann, wird man in den meisten Fällen mit Hilfe von APM oder ACPI einen globalen Energiesparmodus für den Computer setzen, der vom Powermanagement des Betriebssystems gesteuert wird. In den Modi D1 und D2 besteht für ein entsprechend ausgerüstetes PCI-Gerät die Möglichkeit, zu einem beliebigen Zeitpunkt ein sogenanntes Power Management Event Signal (PME) auf den Bus zu legen, das dann an das Powermanagement des Betriebssystems weitergeleitet wird und dazu verwendet werden kann, das System auf Anforderung wieder global „aufzuwecken“, etwa wenn eine Netzwerkkarte einlaufende Daten erkennt, die behandelt werden müssen.

Begriffe 
 Fast Back-to-Back: Wenn alle Geräte diesen Modus unterstützen, kann die Idle-Phase zwischen zwei PCI-Zyklen entfallen. Das erhöht den Datendurchsatz auf dem Bus.
 Special Cycle: Über „Special Cycle“ können Rundrufnachrichten (Broadcast messages) an alle angeschlossenen Geräte gesendet werden.
 Address Space: einer von drei Adressbereichen – Memory, I/O oder Configuration Space
 Configuration Space: Der „Configuration Space“ ist ein Speicherbereich (256 bzw. 4096 Bytes für PCI-X und PCIe) jedes PCI-Geräts, der zur Identifizierung und Konfiguration des Geräts dient. Der Configuration Space besteht aus einem standardisierten Kopf (Header) und zusätzlichen gerätespezifischen Daten wie beispielsweise Adressbereichen. Das BIOS bzw. der Treiber für ein PCI-Gerät kann anhand dieser Daten das Gerät passend konfigurieren.

Interessengruppen

Special Interest Group 
1992 wurde die Spezielle Interessengruppe „PCI-SIG“ (ursprüngliche Bezeichnung: „Peripheral Component Interconnect Special Interest Group“) gegründet. Die Aufgabe der PCI-SIG ist die Verwaltung und die Weiterentwicklung des PCI-Standards. Bei PCI-SIG können Firmen und Organisationen Mitglied werden. Im Jahr 2007 gab es mehr als 800 Mitglieder.

PCI Industrial Computer Manufacturers Group 
Die 1994 gegründete PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) ist ein Konsortium aus über 450 Firmen, die den PCI-Standard für die Nutzung im industriellen Bereich, in der Medizin, dem Militär und der Telekommunikation erweitern wollen. Daraus entstanden Spezifikationen wie CompactPCI oder AdvancedTCA.

Literatur 
 Don Anderson, Tom Shanley: PCI System Architecture. 4th Edition. Addison-Wesley, Reading MA u. a. 1999, ISBN 0-201-30974-2.

Weblinks 

 PCI Local Bus Specification – Revision 2.3 – March 29, 2002 (PDF; 4,3 MB) Spezifikationen (englisch)
 PCI Special Interest Group (PCI-SIG) (englisch)
  (englisch)
 PCI Vendor and Device Lists – Datenbank der PCI Ids (englisch)
 Überblick über die verschiedenen PCI Karten- und Slot-Typen und deren Kombinationsmöglichkeiten
 PCI bus pinout (englisch)
 PCI Technology Overview – February 2003 (PDF; 293 kB; englisch)
 PCI-IDs Sourceforge.net (englisch)

Einzelnachweise 

Peripheriebus (intern)