PCIE学习笔记（一）PCI

PCI是 Peripheral Component Interconnect (外设部件互连标准)的缩写，它曾经是个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。目前该总线已经逐渐被PCI Express总线所取代。

PCI 总线

PCI 总线是一种树型结构，并且独立于 CPU 总线，可以和 CPU 总线并行操作。PCI总线上可以挂接 PCI 设备和 PCI 桥， PCI 总线上只允许有一个 PCI 主设备（同一时刻），其他的均为 PCI 从设备，而且读写操作只能在主从设备之间进行，从设备之间的数据交换需要通过主设备中转。

PCI device tree

PCI 配置空间

PCI 配置空间为256字节的固定空间，负责设备的信息提供和管理等。头部最开始的 deviceID 和 vendorID 寄存器由 pcisig 分配，只读，vendorID 代表 pci 设备的厂商，deviceID 代表厂商的具体设备。

Header Type

0xE偏移处是设备的 header type，决定了 PCI 配置头的布局和设备的类型。头类型有三种，在 PCIE 中只保留了前两种。

Type 0设备代表 PCI Endpoint，其配置空间如下：

type 0 pci configuration header layout

每个字段的详细含义可以参照 PCI - OSDev Wiki

Base Address Register - BAR寄存器

除了配置空间以外，PCI 还有空间去实现所需的功能，如硬件存储等，这就需要额外的可访问地址。BAR 寄存器存储了设备内部空间映射到对应地址空间的基址，它并不是一个单纯的地址，它拥有自己的结构。

bar layout

其中：

最低位Bit 0：是一个标志位，用于描述地址空间的类型，0表示内存地址空间，1表示 IO 地址空间
Memory Space中的Bit [2:1] - Type：用于描述内存空间的类型，00表示32位地址空间，10表示64位地址空间
Memory Space中的Bit 3 - Prefetchable：用于描述内存空间是否支持预取，0表示不支持，1表示支持。如果一段内存空间支持预取，它意味着读取时不会产生任何副作用，所以CPU可以随时将其预取到DRAM中。而如果预取被启用，在读取数据时，内存控制器也会先去DRAM查看是否有缓存。当然，这是一把双刃剑，如果数据本身不支持预取，那么除了可能导致数据不一致，多一次DRAM的查询还会导致速度下降。

为得到所需映射空间的大小，在 BIOS 对 BAR 进行初始化时，对 BAR 寄存器写入全1，出去最低几位的 flag，对齐位会恢复为全0，高位能写入的位为全1，就可以求出所需的大小。比如0xFFFFF000，取反之后就是0x00000FFF，加1之后就是0x00001000，也就是4KB。另外，如何这个空间不可用，那么返回全0。BIOS接着进行真正的地址分配和映射，并将这个新的地址重新写入BAR。

对于BAR空间中保存的所有的地址，我们都可以通过lspci来查看到：

1	sudo lspci -s `BUS_NUM`:00.0 -nn -vv

地址空间

PCI 定义了三个地址空间，分别为 Memory Address Space, I/O Address Space, Configuration Address Space，即内存地址空间，IO 地址空间和配置地址空间，其中第三个应和配置空间区别开。

BAR 中储存的地址可以是内存地址空间中的，也可以是 IO 地址空间的，其访问就是和 x86 系统中一样的访问方式。配置地址空间的访问需要发送事务层的指令（Configuration Commands）。

BDF - Bus Number, Device Number, Function Number

PCI 上所有的设备，无论是 Type 0还是 Type 1，在系统启动的时候，都会被分配一个唯一的地址，它有三个部分组成：

Bus Number：8 bits，也就是最多256条总线
Device Number：5 bits，也就是最多32个设备
Function Number：3 bits，也就是最多8个功能

这就是我们常说的BDF，它类似于网络中的IP地址，一般写作 BB:DD.F 的格式。在 Linux 上，我们可以通过 lspci 命令来查看每个设备的 BDF 。比如，下面这个FCH SMBus Controller就是00:14.0：

$ lspci -t -v
 # [Domain:Bus]
 \-[0000:00]-+-00.0  Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
         # Device.Function
             +-14.0  Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] FCH SMBus Controller

知道了任何一个设备的BDF之后，我们就可以通过lspci -s `BDF` -vv查看到这个设备的详细信息。

可以算出 PCI 配置地址空间的总大小为 $2^8 \cdot 2^5 \cdot 2^3 \cdot 256 \ bytes = 16\mathbf{MB}$