在PC时代，随着处理器的发展，经历了几代I/O总线的发展，解决的问题都是CPU主频提升与外部设备访问速度的问题： 第一代总线包含ISA、EISA、VESA和Micro Channel等； 第二代总线包含PCI、AGP、PCI-X等； 第三代总线包含PCIe、mPCIe、m.2等 PCIe（PCI Express）是目前PC和嵌入式系统中最常用的高速总线，PCIe在PCI的基础上发展而来，在软件上PCIe与PCI是后向兼容的，PCI的系统软件可以用在PCIe系统中。
PCI总线组成
PCI总线组成
PCI 总线主要被分成三部分：PCI 设备，PCI 总线，PCI 桥。
- PCI总线
- 由Host Bridge或者PCI-to-PCI Bridge管理，用来连接各类设备，比如声卡、网卡、IDE接口等。 可以通过PCI-to-PCI Bridge来扩展PCI总线，并构成多级总线的总线树， 比如图中的PCI Local Bus #0和PCI Local Bus #1两条PCI总线就构成一颗总线树，同属一个总线域；
- PCI桥
- 用于扩展PCI总线，使采用PCI总线进行大规模系统互联成为可能，管理下游总线，并转发上下游总线之间的事务；
- PCI 设备
- PCI总线中有三类设备：PCI从设备，PCI主设备，桥设备。 PCI从设备：被动接收来自Host Bridge或者其他PCI设备的读写请求； PCI主设备：可以通过总线仲裁获得PCI总线的使用权，主动向其他PCI设备或主存储器发起读写请求； 桥设备：管理下游的PCI总线，并转发上下游总线之间的总线事务，包括PCI桥、PCI-to-ISA桥、PCI-to-Cardbus桥等。
- Host Bridge
- （如之前属于北桥芯片管理，现在已集成到x86 CPU中）管理PCI总线域，隔离处理器系统的存储器域与PCI总线域，并完成处理器与PCI设备间的数据交换， 包含处理器访问PCI设备的地址空间和PCI设备使用DMA机制访问主存储器，还可选的支持仲裁机制，热插拔等。 每个Host Bridge单独管理独立的总线空间，包括PCI Bus, PCI I/O, PCI Memory, and PCI Prefetchable Memory Space。
PCI总线信号定义
PCI总线是并行总线，而PCIE是串行总线。
PCI信号大致解释：左侧红色框里表示的是PCI总线必需的信号，而右侧蓝色框里表示的是可选的信号；
- AD[31:00]：地址与数据信号复用，在传送时第一个时钟周期传送地址，下一个时钟周期传送数据；
- C/BE[3:0]#：PCI总线命令与字节使能信号复用，在地址周期中表示的是PCI总线命令，在数据周期中用于字节选择，可以进行单字节、字、双字访问；
- PAR：奇偶校验信号，确保AD[31:00]和C/BE[3:0]#传递的正确性；
- Interface Control：接口控制信号，主要作用是保证数据的正常传递，并根据PCI主从设备的状态，暂停、终止或者正常完成总线事务：
- FRAME#：表示PCI总线事务的开始与结束；
- IRDY#：信号由PCI主设备驱动，信号有效时表示PCI主设备数据已经ready；
- TRDY#：信号由目标设备驱动，信号有效时表示目标设备数据已经ready；
- STOP#：目标设备请求主设备停止当前总线事务；
- DEVSEL#：PCI总线的目标设备已经准备好；
- IDSEL：PCI总线在配置读写总线事务时，使用该信号选择PCI目标设备；
- Arbitration：仲裁信号，由REQ#和GNT#组成，与PCI总线的仲裁器直接相连，只有PCI主设备需要使用该组信号，每条PCI总线上都有一个总线仲裁器；
- Error Reporting：错误信号，包括PERR#奇偶校验错误和SERR系统错误；
- System：系统信号，包括时钟信号和复位信号；
PCI总线信号定义
PCI传输模式
PCI使用三种模型用于数据的传输：
- Programmed I/O
- 通过IO读写访问PCI设备空间；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。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
- PIO的方式比较低效，DMA的方式可以直接去访问主存储器而无需CPU干预，效率更高；目前，几乎所有的CPU，甚至是MCU都支持DMA。
- Peer-to-peer
- 两台PCI设备之间直接传送数据；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。
PCI传输模式
PCI总线地址空间
PCI体系架构支持三种地址空间：
PCI地址空间
memory空间：针对32bit寻址，支持4G的地址空间，针对64bit寻址，支持16EB的地址空间；
I/O空间 : PCI最大支持4G的IO空间，但受限于x86处理器的IO空间（16bits带宽），很多平台将PCI的IO地址空间限定在64KB；
配置空间 (私有空间) : x86 CPU可以直接访问memory空间和I/O空间，而配置空间则不能直接访问； 不同的芯片厂商访问配置空间的方法略有不同，以Intel的芯片组为例，其使用IO空间的CF8h/CFCh地址来访问PCI设备的配置寄存器:
每个PCI功能最多可以有256字节的配置空间；（这里特指PCI设备，非PCIe设备，PCIe设备兼容扩展PCI设备） PCI总线在进行配置的时候，采用ID译码方式，使用设备的ID号，包括Bus Number，Device Number，Function Number和Register Number， 每个系统支持256条总线，每条总线支持32个设备，每个设备支持8个功能，由于每个功能最多有256字节的配置空间，因此总的配置空间大小为：256B * 8 * 32 * 256 = 16M；
x86 CPU 访问配置空间
未规范PCI配置空间的访问方式，不同的CPU访问配置空间方式可能不同。在x86 CPU上， 通过IO映射的数据端口和地址端口间接访问PCI的配置空间，其中地址端口映射到0CF8h - 0CFBh，数据端口映射到0CFCh - 0CFFh； 
x86访问配置空间
PCI的配置过程分为两步：
- CPU写CF8h端口，其中写的内容如图所示，BUS，Device，Function能标识出特定的设备功能，Doubleword来指定配置空间的具体某个寄存器；
- CPU可以IO读写CFCh端口，用于读取步骤1中的指定寄存器内容，或者写入指定寄存器内容。 这个过程有点类似于通过I2C去配置外接芯片；
注：在PCIe中，则引入了一种新的Configuration Address Space访问方式：将其直接映射到了Memory Address Space当中。 PCIe规范在PCI规范的基础上，将配置空间扩展到4KB。原来的CF8/CFC方法仍然可以访问所有PCIe设备配置空间的头255B。剩下的配置空间 在Intel CPU上被映射到MMIO（Memory Map IO），就像内存一样访问。MMIO的起始位置，具体位置可以由平台进行设置，设置寄存器一般在Root complex中。
绝大多数PCI设备将PCI配置信息存放在E2PROM中，PCI设备进行上电初始化，将E2PROM中的信息读到PCI设备的配置空间中作为初始值，这个操作由硬件完成。
PCI地址空间隔离/转换
PCI设备具有独立的地址空间，即PCI总线地址空间。PCI地址空间与处理器地址空间隔离。该空间与存储器地址空间通过Host bridge隔离。 处理器需要通过Host bridge才能访问PCI设备，而PCI设备需要通过Host bridge才能主存储器。在Host bridge中含有许多缓冲， 这些缓冲使得处理器总线与PCI总线工作在各自的时钟频率中，彼此互不干扰。Host bridge的存在也使得PCI设备和处理器可以方便地共享主存储器资源。 处理器访问PCI设备时，必须通过Host bridge进行地址转换；而PCI设备访问主存储器时，也需要通过Host bridge进行地址转换。（这里有一级抽象）
我们假设在一个32位处理器中，其存储器域的0xF000-0000~0xF7FF-FFFF(共128MB)这段物理地址空间与PCI总线的地址空间存在映射关系。 当处理器访问这段存储器地址空间时，HOST主桥将会认领这个存储器访问，并将这个存储器访问使用的物理地址空间转换为PCI总线地址空间，并与0x7000-0000~0x77FF-FFFF这段PCI总线地址空间对应。 为简化起见，我们假定在存储器域中只映射了PCI设备的存储器地址空间，而不映射PCI设备的I/O地址空间。而PCI设备的BAR空间使用0x7000-0000~0x77FF-FFFF这段PCI总线域的存储器地址空间。
PCI总线映射关系
当PCI设备使用DMA机制，访问存储器域地址空间时，处理器系统同样需要将存储器域的地址空间反向映射到PCI总线地址空间。假设在一个处理器系统中， 如果主存储器大小为2GB，其在存储器域的地址范围为0x0000-0000~0x7FFF-FFFF，而这段地址在PCI总线域中对应的“PCI总线地址空间”为0x8000-0000~0xFFFF-FFFF。
因此PCI设备进行DMA操作时，必须使用0x8000-0000~0xFFFF-FFFF这段PCI总线域的地址，HOST主桥才能认领这个PCI总线事务， 并将这个总线事务使用的PCI总线地址转换为存储器地址，并与0x0000-0000~0x7FFF-FFFF这段存储器区域进行数据传递。
在一个实际的处理器系统中，很少有系统软件采用这样的方法，实现存储器域与PCI总线域之间的映射，“简单相等”还是最常用的映射方法。 在x86处理器的HOST主桥中，存储器域的存储器地址与PCI总线地址相等，这种“简单相等”也是一种映射关系。