深入解析非桥PCI设备的访问和配置方法

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嵌入式系统的内存访问和总线通信机制解析、PCI/PCIe引入

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1.访问PCI/PCIe设备的流程
- 1.1 PCI/PCIe设备的配置信息
- 1.2 主机读取设备配置信息、分配空间
- 1.3 CPU地址空间和PCI/PCIe地址空间怎么转换？
- 1.4 主机像读写内存一样访问设备
2.PCI设备的访问方法_非桥设备(type0)
- 2.1 硬件结构
- 2.2 PCI本地总线信号
- 2.3 访问PCI设备
- - 2.3.1 PCI设备的地址空间（配置空间）
  - 2.3.2 配置过程
  - - 配置事务的标志：
  - 2.3.3 示例：配置PCI Agent设备

1.访问PCI/PCIe设备的流程

1.1 PCI/PCIe设备的配置信息

PCI/PCIe设备上有配置空间(配置寄存器)，用来表明自己"需要多大的地址空间"。

注意，这是PCI/PCIe地址空间。

1.2 主机读取设备配置信息、分配空间

主机上的程序访问PCI/PCIe设备，读出配置信息。

分配地址空间：注意，分配的是PCI/PCIe地址空间。

把地址空间首地址写入设备。

1.3 CPU地址空间和PCI/PCIe地址空间怎么转换？

假设CPU发出的addr_cpu，是用来方位PCI设备的，转换关系为：

addr_pci  = addr_cpu + offset

在PCI/PCIe控制器中，有某个寄存器，有来保存offset值。

1.4 主机像读写内存一样访问设备

示例代码如下：

volatile unsigned int *p = addr_cpu;
unsigned int val;
*p = val;  /* 写, 硬件会把addr_cpu转换为addr_pci去写PCI/PCIe设备 */
val = *p;  /* 读, 硬件会把addr_cpu转换为addr_pci去读PCI/PCIe设备 */

CPU想要读取I2C设备上的某个地址的值：

主芯片要发出一个 start 信号
然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0 表示写，1 表示读)
从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应
每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。
数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

像发出start信号、发出设备地址，都是CPU得去设置I2C控制器的某个寄存器才能让I2Ci控制器发出

而反观PCI/PCIe，CPU只需要发出addr_cpu，经过PCI控制器进行地址空间转换addr_pci，就可以去间接访问到地址为addr_pci的PCI设备的值。

2.PCI设备的访问方法_非桥设备(type0)

[文件下载点击此处](https://www.yuque.com/yeke5166226/uf8303/coshct9wr1b80pgr?singleDoc# 《嵌入式系统的内存访问和总线通信机制解析、PCI/PCIe引入》)

2.1 硬件结构

PCI系统框图：

addr_cpu地址转换为addr_pci地址后，那么多个设备，谁来响应这个addr_pci地址(这个地址是哪个设备的)？

配置

a. 对于这些设备，首先得去read设备的配置空间，去知道它是哪类设备，以及要申请地址空间的大小

b. 给设备申请的地址空间进行分配，将分配的地址范围(addr_pci类型)写入PCI设备

比如上面的1号设备，要申请4k的地址空间，假设申请成功了，PCI控制器给它起始地址为0x00000000 00000000 00000000
00000000 — 0x00000000 00000000 00000000
FFFFFFFF（假设是32位的内存），那么假设addr_pci是0x00000000 00000000 00000000
00000110，这就能知道CPU发出的地址经过转换后是想要去访问1号设备

配置后就可以通过addr来去访问设备

而对于配置，得先去理解PCI本地总线信号

2.2 PCI本地总线信号

主要分为6类：

类别	信号
系统引脚	CLK：给PCI设备提供时钟 RST#：用于复位PCI设备
地址/数据引脚	AD[31:00]：地址、数据复用 C/BE[3:0]：命令或者字节使能 PAR：校验引脚
接口控制	FRAME#：PCI主设备驱动此信号，表示一个传输开始了、进行中 IRDY#：Initiator ready, 传输发起者就绪，一般由PCI主设备驱动此信号 TRDY#：Target ready，目标设备驱动，表示它就绪了 STOP#：目标设备驱动，表示它想停止当前传输 LOCK#：锁定总线，独占总线，有PCI桥驱动此信号 IDSEL：Initialization Device Select，配置设备时，用来选中某个PCI设备 DEVSEL#：Device Select，PCI设备驱动此信号，表示说：我就是你想访问的设备
仲裁引脚	REQ#：申请使用PCI总线 GNT#：授予，表示你申请的PCI总线成功了，给你使用
错误通知引脚	PERR#：奇偶校验错误 SERR#：系统错误
中断引脚(可选)	INTA#、INTB#、INTC#、INTD#

AD是传输addr还是data？
未配置PCI设备地址空间时又该如何去选中设备进行配置访问操作？

2.3 访问PCI设备

在硬件结构中已经提到了访问过程

CPU发出地址addr_cpu
PCI桥把addr_cpu转换为addr_pci
PCI总线上所有设备都检测addr_pci地址，发现它属于某个设备的地址，该设备就负责完成此传输

步骤：

访问配置空间 – addr_pci
访问内存空间/IO空间 – data

2.3.1 PCI设备的地址空间（配置空间）

PCIe设备的配置空间（Configuration Space）是用于配置和管理PCIe设备的专用地址空间。每个PCIe设备都包含一个256字节（或扩展至4KB的配置空间），用于存储设备的各种信息，如设备标识、状态、控制寄存器、基址寄存器（BAR），以及与设备操作相关的其他配置信息。

作用：配置空间主要用于系统识别和配置PCIe设备，操作系统可以通过访问该配置空间来获取设备的基本信息，配置设备的工作参数，并控制设备的某些功能。
结构：PCIe设备的配置空间遵循PCI规范，前64字节是标准的PCI配置头，包含如设备ID、厂商ID、类代码等基本信息；其余部分包括状态寄存器、控制寄存器、基址寄存器（BAR）、扩展功能寄存器等。

围绕：怎么去配置PCI设备，使其确定自己的地址范围？

对于一个PCI设备，可以通过IDSEL来选中它，去读取它的配置寄存器进而去设置它的配置寄存器，对于一个PIC硬件设备的配置寄存器有256个字节，它分为64 byte的头标区(如上图中所示，固定不变)和192 byte 的设备关联区(标准扩展)，标准扩展的寄存器组的第一个寄存器中的capabilities pointer字段保存的地址指向下组标准扩展寄存器的首寄存器。也就是说从0x100往后的配置空间是IP厂商自己设计，需要在每组扩展寄存器中的第一个寄存器里定义Next Capablity offset，该字段保存的地址将指向下一处扩展寄存器组的首寄存器。配置空间相关字段介绍：

Device ID和Vendor lD(只读)

Vender ID代表PCI设备的生产厂商，Device ID代表这个厂商所生产的具体设备。Device |D和Vendor
|D是区分不同设备的关键，OS和UEFI在很多时候就是通过匹配他们来找到不同的设备驱动(Class
Code有时也起一定作用)。为了保证其唯一性，Vendor ID应当向PCI特别兴趣小组(PCI SIG)申请而得到。

BAR寄存器

PCle配置空间中从地址0x10开始的6个寄存器(EP)，用于存储pcie设备在PCle域的基地址、基址空间大小等属性。

这些PCI总线地址空间需要在初始化时就映射为存储器域的存储器地址空间，方便处理器访问。系统软件对PCI总线进行配置时，首先获得BAR寄存器的初始化信息，之后根据处理器系统的配置，将合理的基地址写入到响应的BAR寄存器中,这个过程在BIOS运行阶段和OS启动阶段完成。系统软件还可以使用该寄存器获得PCI设备使用的BAR空间的长度，其方法是向BAR寄存器写入0XFFFFFFFF后在读取该寄存器。

每个PCI设备在BAR中描述自己需要占用多少地址空间，BI0S或者OS通过所有设备的这些信息构建一张完整的关系图，描述系统中资源的分配情况，然后在合理的将地址空间配置给每个PCI设备。BAR在bit0来表示该设备是映射到memory还是10，bar的bit0是readonlv的，也就是说，设备寄存器是映射到memory还是I0是由设备制造商决定的，其他人无法修改。

Revision lD和Class Code寄存器 (只读)

Revision lD记载PCI设备的版本号，可以被认为是Device ID寄存器的扩展Class
Code寄存器记载PCI设备的分类，用于系统软件识别当前PCI设备的分类。该寄存器由Base Class Code、Sub class
code和interface三个字段组成。Base Class Code将PCI设备分类为显卡、网卡、PCI杯等设备:Sub class
code对这些设备进一步细分;inteface定义为编程接囗。

Header Type寄存器(只读)

共8bit。系统软件使用该寄存器区分不同类型的PCI配置空间。

第7位为1表示当前PCI设备为多功能设备、为0表示单功能设备。

第6-0位表示当前配置空间的类型，为0表示该设备使用PCIAgent设备的配置空间，普通PCI设备都使用该配置头；为1表示使用PCI桥的配置空间，PCI桥使用这种配置头；为2表示使用cardbus桥片的配置空间。

cache line size

记录host处理器使用的cache line长度

Capabilities pointer

该寄存器存放capabiltes寄存器组的基地址，该寄存器组存放域PCI设备相关的扩展配置信息。该寄存器对PCI设备可选，但PCle总线规范要求其设备必须支持Capabilities结构，该寄存器组用于实现厂商自定义的PCle设备功能。

该寄存器存放Capabilities结构链表的头指针。在一个PCle设备中，可能含有多个Capability结构，这些寄存器组成一个链表。

interript line寄存器

记录当前PCI设备使用的中断向量号，在系统软件对该设备配置时写入。给软件使用的，PCI设备本身不使用该寄存器。软件可以写入中断相关的信息，比如在Linux系统中，可以把分配的virq(虚拟中断号)写入此寄存器。软件完全可以自己记录中断信息，没必要依赖这个寄存器。

Interrupt pin

这个寄存器保存PCI设备使用的中断引脚。PCI总线提供了四个中断引脚:INTA#、INTB#INTC#和INTD#。InterruptPin寄存器为1时表示使用INTA#引脚向中断控制器提交中断请求，为2表示使用INTB#，为3表示使用INTC#，为4表示使用INTD#。如果PCI设备只有一个子设备时，该设备只能使用INTA#；如果有多个子设备时,可以使用INTB_{D#信号。如果PCI设备不使用这些中断引脚，向处理器提交中断请求时，该寄存器的值必须为0。值得注意的是，虽然在PCIe设备中并不含有INTA}D#信号，但是依然可以使用该寄存器，因为PCle设备可以使用INTx中断消息，模拟PCI设备的INTA~D#信号

Interrupt Pin取值	含义
0	不需要中断引脚
1	通过INTA#发出中断
2	通过INTB#发出中断
3	通过INTC#发出中断
4	通过INTD#发出中断
5~0xff	保留

Class Code

这是只读的寄存器，它含有3个字节，用来表明设备的功能，它分为3部分

最高字节：表示"base class"，用来表示它属于内存卡、显卡等待

中间字节：表示"sub-class"，再细分一下类别

最低字节：用来表示寄存器级别的编程接口"Interface"

示例如下：Base Class为01h时，表示它是一个存储设备，但是还可以继续使用sub-class、Interface细分

2.3.2 配置过程

通过DISEL来选择某一个物理设备，这个设备可能有多种功能，比如PCI设备，最多可以有8种功能，对于每一种功能，都有不同的256字节的配置寄存器(配置空间)。那么，通过IDSEL是可以选择指定的PCI设备，但是该怎么去选择其中的某一种功能，再怎么去选择其中哪一个配置寄存器去设置配置空间？

1. 通过IDSEL选中某一个PCI设备

通过某个ADn去连接设备的IDSEL引脚，PCI设备被唯一选中，用于区分系统中的不同设备。

2. Function Number 和 Register Number 的选择

在PCI设备中，配置空间的访问可以使用AD[31:0]引脚来指定Function Number和Register
Number。

Function Number：PCI设备可能有多种功能，每种功能有独立的配置空间。在AD[31:0]地址引脚中，部分比特用于指定该设备的功能号。

在地址格式中，AD[10:8]这三位用于指定Function Number，也就是设备的功能选择。

Register Number：配置空间中的寄存器可以通过地址来选择。在地址总线的低位部分，比如AD[7:2]这六位，用来指定配置空间中的寄存器号。

所以，AD引脚的组合决定了访问的是哪一个功能的哪一个寄存器。

关于配置地址和普通内存地址的区分：

在PCI协议中，区分是否是在访问配置空间或普通内存空间，主要通过**C/BE#**信号来完成，而不是直接根据地址本身来区分。具体来说，PCI总线使用了两个地址空间：

内存地址空间（Memory Space）
配置地址空间（Configuration Space）

通过C/BE#信号来确定当前传输的是内存访问还是配置空间访问。当要访问配置空间时，必须设置为配置事务。

配置事务的标志：

FRAME#信号会指示这是一个PCI事务，第一拍时的**AD[31:0]**总线携带的确实是地址信息，而后面的传输则是数据。但配置事务与内存读写事务在功能上不同，通过C/BE#来表明具体的操作。
- **C/BE#**信号：指定了是读还是写操作（例如配置读1010，配置写1011）。

因此，当发出配置事务时，在第一拍时发送配置空间的地址，后续的时钟周期中进行的是数据传输。

3. 如何确定读写寄存器？

通过C/BE#引脚来确定是读寄存器还是写寄存器。在PCI配置事务中，以下是一些关键操作：

C/BE# 引脚用于指定操作类型：读还是写。

1010表示配置读操作（configuration read）。
1011表示配置写操作（configuration write）。

配置空间读操作：首先读取PCI设备的配置空间，比如Base Address Registers（BARs），这可以帮助系统知道设备所申请的I/O空间和内存空间的大小。

配置空间写操作：之后可以使用写操作来设置配置寄存器的值，如中断线、中断号、命令寄存器等。

4. 配置完成后的数据传输

配置完成后，系统可以通过内存地址或I/O地址来访问该PCI设备。此时，addr_pci表示的就是设备的I/O地址或者内存空间地址。数据传输会根据PCI设备所申请的地址空间进行。

通过IDSEL引脚选中某个PCI设备。
使用AD[31:0]引脚发送地址信息，其中高位部分指定是哪个设备的哪个功能，低位部分指定配置空间中的哪个寄存器。

- PCI协议通过**C/BE#**来区分配置空间访问和内存地址访问，而不是直接通过地址的差异来区分。此外，AD引脚不仅指定功能号，还要指定配置寄存器的编号。

使用**C/BE#**信号来指定是否进行配置空间的读写操作（配置读1010，配置写1011）。
配置完成后，系统根据设备的申请来分配I/O空间或内存空间，然后可以使用addr_pci（分配给设备的I/O或内存地址）来进行数据传输。

2.3.3 示例：配置PCI Agent设备

PCI设备可以简单地分为PCI Bridge和PCI Agent：

PCI Bridge：桥，用来扩展PCI设备，必定有一个Root Bridge，下面还可以有其他Bridge。
PCI Agent：真正的PCI设备(比如网卡)，是PCI树的最末端

怎么配置PCI Agent设备？

选中：通过IDSEL来选中某个设备
怎么访问配置空间：发起一个type 0的配置命令
- PCI设备最多有8个功能，每个功能都有自己的配置空间(配置寄存器)
- 你要访问哪个功能？哪个寄存器？发起
CPU读取配置空间的BAR，得知：这个PCI设备想申请多大空间
CPU分配PCI地址，写到PCI设备的BAR里