PCI/PCIe軟件界面

PCI spec規(guī)定了PCI設(shè)備必須提供的單獨(dú)地址空間：配置空間（configuration space）,前64個(gè)字節(jié)（其地址范圍為0x00~0x3F）是所有PCI設(shè)備必須支持的（有不少簡單的設(shè)備也僅支持這些），此外PCI/PCI-X還擴(kuò)展了0x40~0xFF這段配置空間，在這段空間主要存放一些與MSI或者M(jìn)SI-X中斷機(jī)制和電源管理相關(guān)的Capability結(jié)構(gòu)。

前文提到過，PCI配置空間和內(nèi)存空間是分離的，那么如何訪問這段空間呢？我們首先要對(duì)所有的PCI設(shè)備進(jìn)行編碼以避免沖突，通常我們是以三段編碼來區(qū)分PCI設(shè)備，即Bus Number, Device Number和Function Number,以后我們簡稱他們?yōu)锽DF。有了BDF我們既可以唯一確定某一PCI設(shè)備。不同的芯片廠商訪問配置空間的方法略有不同，我們以Intel的芯片組為例，其使用IO空間的CF8h/CFCh地址來訪問PCI設(shè)備的配置寄存器:

CF8h: CONFIG_ADDRESS。PCI配置空間地址端口。

CFCh: CONFIG_DATA。PCI配置空間數(shù)據(jù)端口。

　　CONFIG_ADDRESS寄存器格式：

        　31  位：Enabled位。

        23:16 位：總線編號(hào)。

        15:11 位：設(shè)備編號(hào)。

        10: 8  位：功能編號(hào)。

         7: 2  位：配置空間寄存器編號(hào)。

         1: 0  位：恒為“00”。這是因?yàn)镃F8h、CFCh端口是32位端口。

如上，在CONFIG_ADDRESS端口填入BDF,即可以在CONFIG_DATA上寫入或者讀出PCI配置空間的內(nèi)容。

PCIe規(guī)范在PCI規(guī)范的基礎(chǔ)上，將配置空間擴(kuò)展到4KB。原來的CF8/CFC方法仍然可以訪問所有PCIe設(shè)備配置空間的頭255B，但是該方法訪問不了剩下的（4K-255）配置空間。怎么辦呢？Intel提供了另外一種PCIe配置空間訪問方法：通過將配置空間映射到Memory map IO（MMIO）空間，對(duì)PCIe配置空間可以像對(duì)內(nèi)存一樣進(jìn)行讀寫訪問了。如圖

這樣再加上PCI板子上的RAM或者ROM，整個(gè)PCIe Device空間如下圖：

MMIO這段空間有256MB，因?yàn)榘凑誔CIe規(guī)范，支持最多256個(gè)buses，每個(gè)Bus支持最多32個(gè)PCI devices，每個(gè)device支持最多8個(gè)function,也就是說：占用內(nèi)存的最大值為：256 * 32 * 8 * 4K = 256MB。在臺(tái)式機(jī)上我們很多時(shí)候覺得占用256MB空間太浪費(fèi)（造成4G以下memory可用空間變少，雖然實(shí)際memory可以映射到4G以上，但對(duì)32位OS影響很大），PCI Bus也沒有那么多，所以可以設(shè)置成最低64MB，即最多64個(gè)Bus。那么這個(gè)256MB的MMIO空間在在哪里呢？我們以Intel的Haswell平臺(tái)為例：

其中PCIEXBAR就是這個(gè)MMIO的起始位置，在4G下面占據(jù)64MB/128MB/256MB空間（4G以上部分不在本文范圍內(nèi)，我們今后會(huì)詳細(xì)介紹固件中的內(nèi)存布局），其具體位置可以由平臺(tái)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置寄存器一般在Root complex（下文簡稱RC）中。

如果大家忘記RC，可以參考前文硬件部分的典型PCIe框圖。RC是PCIe體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部件，也是一個(gè)較為混亂的概念。RC的提出與x86處理器系統(tǒng)密切相關(guān)，PCIe總線規(guī)范中涉及的RC也以x86處理器為例進(jìn)行說明，而且一些在PCIe總線規(guī)范中出現(xiàn)的最新功能也在Intel的x86處理器系統(tǒng)中率先實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，只有x86處理器才存在PCIe總線規(guī)范定義的“標(biāo)準(zhǔn)RC”，而在多數(shù)處理器系統(tǒng)，并不含有在PCIe總線規(guī)范中涉及的，與RC相關(guān)的全部概念。

在x86處理器系統(tǒng)中，RC內(nèi)部集成了一些PCI設(shè)備、RCRB(RC Register Block)和Event Collector等組成部件。其中RCRB由一系列的寄存器組成的大雜燴，而僅存在于x86處理器中；而Event Collector用來處理來自PCIe設(shè)備的錯(cuò)誤消息報(bào)文和PME消息報(bào)文。RCRB的訪問基地址一般在LPC設(shè)備寄存器上設(shè)置。

如果將RC中的RCRB、內(nèi)置的PCI設(shè)備和Event Collector去除，該RC的主要功能與PCI總線中的Host Bridge類似，其主要作用是完成存儲(chǔ)器域到PCI總線域的地址轉(zhuǎn)換。但是隨著虛擬化技術(shù)的引入，尤其是引入MR-IOV技術(shù)之后，RC的實(shí)現(xiàn)變得異常復(fù)雜。

現(xiàn)在我們來看看在配置空間里具體有些什么。我們以一個(gè)一般的type 0（非Bridge）設(shè)備為例：

其中Device ID和Vendor ID是區(qū)分不同設(shè)備的關(guān)鍵，OS和UEFI在很多時(shí)候就是通過匹配他們來找到不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。為了保證其唯一性，Vendor ID應(yīng)當(dāng)向PCI特別興趣小組(PCI SIG)申請(qǐng)而得到。

我們重點(diǎn)來了解一下這些Base Address Registers(BAR)。BAR是PCI配置空間中從0x10 到 0x24的6個(gè)register，用來定義PCI需要的配置空間大小以及配置PCI設(shè)備占用的地址空間。

每個(gè)PCI設(shè)備在BAR中描述自己需要占用多少地址空間，UEFI通過所有設(shè)備的這些信息構(gòu)建一張完整的關(guān)系圖，描述系統(tǒng)中資源的分配情況，然后在合理的將地址空間配置給每個(gè)PCI設(shè)備。

BAR在bit0來表示該設(shè)備是映射到memory還是IO，bar的bit0是readonly的，也就是說，設(shè)備寄存器是映射到memory還是IO是由設(shè)備制造商決定的，其他人無法修改。

下圖是BAR寄存器的結(jié)構(gòu)，分別是Memory和IO：

BAR通過將某些位設(shè)置為只讀，且0來表示需要的地址空間大小，比如一個(gè)PCI設(shè)備需要占用1MB的地址空間，那么這個(gè)BAR就需要實(shí)現(xiàn)高12bit是可讀寫的，而20-4bit是只讀且位0。地址空間大小的計(jì)算方法如下：

    a.向BAR寄存器寫全1

    b.讀回寄存器里面的值，然后clear 上圖中特殊編碼的值，(IO 中bit0，bit1， memory中bit0-3)。

    c.對(duì)讀回來的值去反，加一就得到了該設(shè)備需要占用的地址內(nèi)存空間。

這樣我們就可以在構(gòu)建一張大表，用于記錄所有PCI設(shè)備所需要的空間。這也是PCI枚舉的主要任務(wù)之一。另外別忘記設(shè)置Command寄存器enable這些BARs。

PCI橋在PCI設(shè)備樹中起到呈上起下的作用。一個(gè)PCI-to-PCI橋它的配置空間如下：

注意其中的三組綠色的BUS Number和多組黃色的BASE/Limit對(duì)，它決定了橋和橋下面的PCI設(shè)備子樹相應(yīng)/被分配的Bus和各種資源大小和位置。這些值都是由PCI枚舉程序來設(shè)置的。

PCI-X和PCIe總線規(guī)范要求其設(shè)備必須支持Capabilities結(jié)構(gòu)。在PCI總線的基本配置空間中，包含一個(gè)Capabilities Pointer寄存器，該寄存器存放Capabilities結(jié)構(gòu)鏈表的頭指針。在一個(gè)PCIe設(shè)備中，可能含有多個(gè)Capability結(jié)構(gòu)，這些寄存器組成一個(gè)鏈表，其結(jié)構(gòu)如圖：

PCIe的各種特性如Max Payload、Complete Timeout(CTO)等等都通過這個(gè)鏈表鏈接在一起，Capabilities ID由PCIe spec規(guī)定。鏈表的好處是如果你不關(guān)心這個(gè)Capabilities（或不知道怎么處理），直接跳過，處理關(guān)心的即可，兼容性比較好。

PCI枚舉是個(gè)不斷遞歸調(diào)用發(fā)現(xiàn)新設(shè)備的過程，PCI枚舉簡單來說主要包括下面幾個(gè)步驟：

A． 利用深度優(yōu)先算法遍歷整個(gè)PCI設(shè)備樹。從Root Complex出發(fā)，尋找設(shè)備和橋。發(fā)現(xiàn)橋后設(shè)置Bus,會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)PCI設(shè)備子樹，遞歸回到A)

B． 遞歸的過程中通過讀取BARs，記錄所有MMIO和IO的需求情況并予以滿足。

C． 設(shè)置必要的Capabilities

在整個(gè)過程結(jié)束后，一顆完整的資源分配完畢的樹就建立好了。

在PCI總線中定義了兩種“地址譯碼”方式，一個(gè)是正向譯碼，一個(gè)是負(fù)向譯碼。當(dāng)訪問Bus N時(shí)，其下的所有PCI設(shè)備都將對(duì)出現(xiàn)在地址周期中的PCI總線地址進(jìn)行譯碼。如果這個(gè)地址在某個(gè)PCI設(shè)備的BAR空間中命中時(shí)，這個(gè)PCI設(shè)備將接收這個(gè)PCI總線請(qǐng)求。這個(gè)過程也被稱為PCI總線的正向譯碼，這種方式也是大多數(shù)PCI設(shè)備所采用的譯碼方式。

但是在PCI總線上的某些設(shè)備，如PCI-to-(E)ISA橋（或LPC）并不使用正向譯碼接收來自PCI總線的請(qǐng)求， PCI BUS N上的總線事務(wù)在三個(gè)時(shí)鐘周期后，沒有得到任何PCI設(shè)備響應(yīng)時(shí)(即總線請(qǐng)求的PCI總線地址不在這些設(shè)備的BAR空間中)，PCI-to-ISA橋?qū)⒈粍?dòng)地接收這個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求。這個(gè)過程被稱為PCI總線的負(fù)向譯碼?？梢赃M(jìn)行負(fù)向譯碼的設(shè)備也被稱為負(fù)向譯碼設(shè)備。

在PCI總線中，除了PCI-to-(E)ISA橋可以作為負(fù)向譯碼設(shè)備，PCI橋也可以作為負(fù)向譯碼設(shè)備，但是PCI橋并不是在任何時(shí)候都可以作為負(fù)向譯碼設(shè)備。在絕大多數(shù)情況下，PCI橋無論是處理“來自上游總線(upstream)”，還是處理“來自下游總線（downstream)”的總線事務(wù)時(shí)，都使用正向譯碼方式。如圖：

在某些特殊應(yīng)用中，PCI橋也可以作為負(fù)向譯碼設(shè)備。PCI總線規(guī)定使用負(fù)向譯碼的PCI橋，其Base Class Code寄存器為0x06，Sub Class Code寄存器為0x04，而Interface寄存器為0x01；使用正向譯碼方式的PCI橋的Interface寄存器為0x00。

如筆記本在連接Dock插座時(shí)，也使用了PCI橋。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，筆記本與Dock插座是分離使用的，而且Dock插座上連接的設(shè)備多為慢速設(shè)備，此時(shí)用于連接Dock插座的PCI橋使用負(fù)向譯碼。在該橋管理的設(shè)備并不參與處理器系統(tǒng)對(duì)PCI總線的枚舉過程。當(dāng)筆記本插入到Dock之后，系統(tǒng)軟件并不需要重新枚舉Dock中的設(shè)備并為這些設(shè)備分配系統(tǒng)資源，而僅需要使用負(fù)向譯碼PCI橋管理好其下的設(shè)備即可，從而極大降低了Dock對(duì)系統(tǒng)軟件的影響。

UEFI對(duì)PCI/PCIe的支持

UEFI對(duì)于PCI總線的支持包括以下三個(gè)方面：

1） 提供分配PCI設(shè)備資源的協(xié)議（Protocol）。

2） 提供訪問PCI設(shè)備的協(xié)議（Protocol）。

3） 提供PCI枚舉器，枚舉PCI總線上的設(shè)備以及分配設(shè)備所需的資源。

4） 提供各種Lib，方便驅(qū)動(dòng)程序訪問PCI/PCIe配置空間或者M(jìn)MIO/IO空間。

UEFI BIOS提供了兩個(gè)主要的模塊來支持PCI總線，一個(gè)是PCI Host Bridge控制器驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)是PCI總線驅(qū)動(dòng)。

PCI Host Bridge控制器驅(qū)動(dòng)是跟特定的平臺(tái)硬件綁定的。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際I/O空間和memory map，為PCI設(shè)備指定I/O空間和Memory空間的范圍，并且產(chǎn)生PCI Host Bridge Resource Allocation 協(xié)議（Protocol）供PCI總線驅(qū)動(dòng)使用。該驅(qū)動(dòng)還對(duì)HostBridge控制器下所有RootBridge設(shè)備產(chǎn)生句柄（Handle），該句柄上安裝了PciRootBridgeIoProtocol。PCI總線驅(qū)動(dòng)則利用PciRootBridgeIo Protocol枚舉系統(tǒng)中所有PCI設(shè)備，發(fā)現(xiàn)并獲得PCI設(shè)備的Option Rom，并且調(diào)用PCI Host Bridge Resource Allocation 協(xié)議（Protocol）分配PCI設(shè)備資源。PCI Host Bridge Resource Allocation協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是跟特定的芯和平臺(tái)相結(jié)合的，畢竟只有平臺(tái)所有者才知道資源從哪里來和有多少。每一個(gè)PCI HostBridge Controller下面可以接一個(gè)或者多個(gè)PCI root bridges，PCI Root Bridge會(huì)產(chǎn)生PCI local Bus。PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)不會(huì)使用PCI Root Bridge I/O協(xié)議訪問PCI設(shè)備，而是會(huì)使用PCI總線驅(qū)動(dòng)為PCI設(shè)備產(chǎn)生的PCI IO Protocol來訪問PCI設(shè)備的IO/MEMORY空間和配置空間。PCI Root Bridge I/O協(xié)議（Protocol）是安裝在RootBridge設(shè)備的句柄上（handle），同時(shí)在該handle上也會(huì)有表明RootBridge設(shè)備的DevicePath協(xié)議（Protocol），如下圖所示

PCI總線驅(qū)動(dòng)在BDS階段會(huì)枚舉整個(gè)PCI設(shè)備樹并分配資源（BUS，MMIO和IO等），它還會(huì)在不同的枚舉點(diǎn)調(diào)用Notify event通知平臺(tái)，平臺(tái)的Hook可以掛接在這些點(diǎn)上做些特殊的動(dòng)作。具體各種點(diǎn)的定義請(qǐng)參閱UEFI spec。

PCI bus驅(qū)動(dòng)在這里：https://github.com/tianocore/edk2/tree/master/MdeModulePkg/Bus/Pci/PciBusDxe

在MdePackage下有很多PCI lib。有Cf8/CFC形式訪問配置空間的，有PCIe方式訪問的。都有些許不同。注意Cf8/CFC只能訪問255以內(nèi)的，而PCIe方式訪問的要配置正確PCIe base address PCD。

結(jié)語

本篇沒有介紹下列內(nèi)容，以后有機(jī)會(huì)再補(bǔ)。

1.  Non-transparent bridge

2.  LPC

3.  各種PCIe的feature

4.  MSI中斷處理

如果你還覺得意猶未盡，仔細(xì)思考一下下面這些問題并找找資料有助于你更深入了解PCI/PCIe

1． 前文說過，PCIe的速度和Lane的數(shù)目是在Training的時(shí)候由Root Port和EndPoint協(xié)調(diào)得到的。那這個(gè)Training的過程發(fā)生在什么時(shí)候呢? (提示，Hard Strap,Soft Strap, Wait for BIOS/Bifurcation)。

2． UEFI PCI Bus枚舉發(fā)生在BDS階段，很靠后。那我們?nèi)绻谛酒跏蓟A段需要對(duì)PCI設(shè)備MMIO空間的寄存器甚至Bridge后面的設(shè)備做些設(shè)置，該怎么辦呢？