PCI/PCIe軟件界面

1

配置空間

PCI spec規定了PCI設備必須提供的單獨地址空間：配置空間（configuration space）,前64個字節（其地址范圍為0x000x3F）是所有PCI設備必須支持的（有不少簡單的設備也僅支持這些），此外PCI/PCI-X還擴展了0x400xFF這段配置空間，在這段空間主要存放一些與MSI或者MSI-X中斷機制和電源管理相關的Capability結構。

前文提到過，PCI配置空間和內存空間是分離的，那么如何訪問這段空間呢？我們首先要對所有的PCI設備進行編碼以避免沖突，通常我們是以三段編碼來區分PCI設備，即Bus Number, Device Number和Function Number,以后我們簡稱他們為BDF。有了BDF我們既可以唯一確定某一PCI設備。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配置空間數據端口。

　　CONFIG_ADDRESS寄存器格式：

31  位：Enabled位。

    23:16 位：總線編號。

    15:11 位：設備編號。

    10: 8  位：功能編號。

     7: 2  位：配置空間寄存器編號。

     1: 0  位：恒為“00”。這是因為CF8h、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配置空間的內容。

PCIe規范在PCI規范的基礎上，將配置空間擴展到4KB。原來的CF8/CFC方法仍然可以訪問所有PCIe設備配置空間的頭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PCIe配置空間可以像對內存一樣進行讀寫訪問了。如圖

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

MMIO這段空間有256MB，因為按照PCIe規范，支持最多256個buses，每個Bus支持最多32個PCI devices，每個device支持最多8個function,也就是說：占用內存的最大值為：256 * 32 * 8 * 4K = 256MB。在臺式機上我們很多時候覺得占用256MB空間太浪費（造成4G以下memory可用空間變少，雖然實際memory可以映射到4G以上，但對32位OS影響很大），PCI Bus也沒有那么多，所以可以設置成最低64MB，即最多64個Bus。那么這個256MB的MMIO空間在在哪里呢？我們以Intel的Haswell平臺為例：

其中PCIEXBAR就是這個MMIO的起始位置，在4G下面占據64MB/128MB/256MB空間（4G以上部分不在本文范圍內，我們今后會詳細介紹固件中的內存布局），其具體位置可以由平臺進行設置，設置寄存器一般在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體系結構的一個重要組成部件，也是一個較為混亂的概念。RC的提出與x86處理器系統密切相關，PCIe總線規范中涉及的RC也以x86處理器為例進行說明，而且一些在PCIe總線規范中出現的最新功能也在Intel的x86處理器系統中率先實現。事實上，只有x86處理器才存在PCIe總線規范定義的“標準RC”，而在多數處理器系統，并不含有在PCIe總線規范中涉及的，與RC相關的全部概念。

在x86處理器系統中，RC內部集成了一些PCI設備、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設備的錯誤消息報文和PME消息報文。RCRB的訪問基地址一般在LPC設備寄存器上設置。

如果將RC中的RCRB、內置的PCI設備和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器域到PCI總線域的地址轉換。但是隨著虛擬化技術的引入，尤其是引入MR-IOV技術之后，RC的實現變得異常復雜。

2

BAR空間

現在我們來看看在配置空間里具體有些什么。我們以一個一般的type 0（非Bridge）設備為例：

其中Device ID和Vendor ID是區分不同設備的關鍵，OS和UEFI在很多時候就是通過匹配他們來找到不同的設備驅動。為了保證其唯一性，Vendor ID應當向PCI特別興趣小組(PCI SIG)申請而得到。

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

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

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

下圖是BAR寄存器的結構，分別是Memory和IO：

BAR通過將某些位設置為只讀，且0來表示需要的地址空間大小，比如一個PCI設備需要占用1MB的地址空間，那么這個BAR就需要實現高12bit是可讀寫的，而20-4bit是只讀且位0。地址空間大小的計算方法如下：

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. 對讀回來的值去反，加一就得到了該設備需要占用的地址內存空間。

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

3

PCI橋設備

PCI橋在PCI設備樹中起到呈上起下的作用。一個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，它決定了橋和橋下面的PCI設備子樹相應/被分配的Bus和各種資源大小和位置。這些值都是由PCI枚舉程序來設置的。

4

Capabilities結構

PCI-X和PCIe總線規范要求其設備必須支持Capabilities結構。在PCI總線的基本配置空間中，包含一個Capabilities Pointer寄存器，該寄存器存放Capabilities結構鏈表的頭指針。在一個PCIe設備中，可能含有多個Capability結構，這些寄存器組成一個鏈表，其結構如圖：

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

5

PCI枚舉

PCI枚舉是個不斷遞歸調用發現新設備的過程，PCI枚舉簡單來說主要包括下面幾個步驟：

**A． **利用深度優先算法遍歷整個PCI設備樹。從Root Complex出發，尋找設備和橋。發現橋后設置Bus,會發現一個PCI設備子樹，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． **設置必要的Capabilities

在整個過程結束后，一顆完整的資源分配完畢的樹就建立好了。

7

地址譯碼

在PCI總線中定義了兩種“地址譯碼”方式，一個是正向譯碼，一個是負向譯碼。當訪問Bus N時，其下的所有PCI設備都將對出現在地址周期中的PCI總線地址進行譯碼。如果這個地址在某個PCI設備的BAR空間中命中時，這個PCI設備將接收這個PCI總線請求。這個過程也被稱為PCI總線的正向譯碼，這種方式也是大多數PCI設備所采用的譯碼方式。

但是在PCI總線上的某些設備，如PCI-to-(E)ISA橋（或LPC）并不使用正向譯碼接收來自PCI總線的請求， PCI BUS N上的總線事務在三個時鐘周期后，沒有得到任何PCI設備響應時(即總線請求的PCI總線地址不在這些設備的BAR空間中)，PCI-to-ISA橋將被動地接收這個數據請求。這個過程被稱為PCI總線的負向譯碼?？梢赃M行負向譯碼的設備也被稱為負向譯碼設備。

在PCI總線中，除了PCI-to-(E)ISA橋可以作為負向譯碼設備，PCI橋也可以作為負向譯碼設備，但是PCI橋并不是在任何時候都可以作為負向譯碼設備。在絕大多數情況下，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)”的總線事務時，都使用正向譯碼方式。如圖：

在某些特殊應用中，PCI橋也可以作為負向譯碼設備。PCI總線規定使用負向譯碼的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，也使用了PCI橋。因為在大多數情況下，筆記本與Dock插座是分離使用的，而且Dock插座上連接的設備多為慢速設備，此時用于連接Dock插座的PCI橋使用負向譯碼。在該橋管理的設備并不參與處理器系統對PCI總線的枚舉過程。當筆記本插入到Dock之后，系統軟件并不需要重新枚舉Dock中的設備并為這些設備分配系統資源，而僅需要使用負向譯碼PCI橋管理好其下的設備即可，從而極大降低了Dock對系統軟件的影響。

UEFI對PCI/PCIe的支持

UEFI對于PCI總線的支持包括以下三個方面：

1） 提供分配PCI設備資源的協議（Protocol）。

2） 提供訪問PCI設備的協議（Protocol）。

3） 提供PCI枚舉器，枚舉PCI總線上的設備以及分配設備所需的資源。

4） 提供各種Lib，方便驅動程序訪問PCI/PCIe配置空間或者MMIO/IO空間。

1

PCI驅動

UEFI BIOS提供了兩個主要的模塊來支持PCI總線，一個是PCI Host Bridge控制器驅動，另一個是PCI總線驅動。

PCI Host Bridge控制器驅動是跟特定的平臺硬件綁定的。根據系統實際I/O空間和memory map，為PCI設備指定I/O空間和Memory空間的范圍，并且產生PCI Host Bridge Resource Allocation 協議（Protocol）供PCI總線驅動使用。該驅動還對HostBridge控制器下所有RootBridge設備產生句柄（Handle），該句柄上安裝了PciRootBridgeIoProtocol。PCI總線驅動則利用PciRootBridgeIo Protocol枚舉系統中所有PCI設備，發現并獲得PCI設備的Option Rom，并且調用PCI Host Bridge Resource Allocation 協議（Protocol）分配PCI設備資源。PCI Host Bridge Resource Allocation協議的實現是跟特定的芯和平臺相結合的，畢竟只有平臺所有者才知道資源從哪里來和有多少。每一個PCI HostBridge Controller下面可以接一個或者多個PCI root bridges，PCI Root Bridge會產生PCI local Bus。PCI設備驅動不會使用PCI Root Bridge I/O協議訪問PCI設備，而是會使用PCI總線驅動為PCI設備產生的PCI IO Protocol來訪問PCI設備的IO/MEMORY空間和配置空間。PCI Root Bridge I/O協議（Protocol）是安裝在RootBridge設備的句柄上（handle），同時在該handle上也會有表明RootBridge設備的DevicePath協議（Protocol），如下圖所示

PCI總線驅動在BDS階段會枚舉整個PCI設備樹并分配資源（BUS，MMIO和IO等），它還會在不同的枚舉點調用Notify event通知平臺，平臺的Hook可以掛接在這些點上做些特殊的動作。具體各種點的定義請參閱UEFI spec。

PCI bus驅動在這里：https://github.com/tianocore/edk2/tree/master/MdeModulePkg/Bus/Pci/PciBusDxe

2

PCI Lib

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以內的，而PCIe方式訪問的要配置正確PCIe base address PCD。

結語

本篇沒有介紹下列內容，以后有機會再補。

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的數目是在Training的時候由Root Port和EndPoint協調得到的。那這個Training的過程發生在什么時候呢? (提示，Hard Strap,Soft Strap, Wait for BIOS/Bifurcation)。

2． UEFI PCI Bus枚舉發生在BDS階段，很靠后。那我們如果在芯片初始化階段需要對PCI設備MMIO空間的寄存器甚至Bridge后面的設備做些設置，該怎么辦呢？