PCIE学习（2）PCIE配置空间详解

文章目录

前言
一、配置空间header
二、Base Address register（BAR）
- 2.1、BAR是干什么的
- 2.2、具体实现过程
- - BAR示例1——32bit内存地址空间请求
  - BAR示例2——64bit内存地址空间请求

前言

图片来自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/463518877
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一、配置空间header

参考：http://www.ssdfans.com/?p=8210

每个PCIe设备，有这么一段空间，Host软件可以读取它获得该设备的一些信息，也可以通过它来配置该设备，这段空间就叫做PCIe的配置空间。不同于每个设备的其它空间，PCIe设备的配置空间是协议规定好的，哪个地方放什么内容，都是有定义的。PCI或者PCI-X时代就有配置空间的概念。

整个配置空间就是一系列寄存器的集合，其中Type 0是Endpoint的配置，Type 1是Bridge（PCIe时代就是Switch）的配置，都由两部分组成：64 Bytes的Header+192Bytes的Capability结构，后者是设备告诉Host它的一些特殊功能。
进入PCIe时代，PCIe能耐更大，192 Bytes不足以罗列它的内容。为了保持后向兼容，整个配置空间由256 Bytes扩展成4KB，前面256 Bytes保持不变。

着重看一下Type 1的header：
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Device ID：只读；设备 ID。

Vendor ID：只读；厂商 ID。如 Intel 的为 0X8086。

Status： 16 位状态寄存器。

Command： 16 位命令寄存器

Class Code：此字段用于区分 PCI-E 设备属于什么类型设备，如网卡，显卡等

Revision ID：只读；程序版本号

BIST：自测

Header type： PCI-E 头类型寄存器

0bit~6bit： 0-EP;1-Switch； 2-CardBus
7bit： 0-单功能设备； 1-多功能设备

Lantency Timer： PCI-E 无意义

Cache line size： PCI-E 无意义

Base Address register：扩展空间的基址寄存器

Expansion ROM Base Address：扩展 ROM 地址

二、Base Address register（BAR）

2.1、BAR是干什么的

对Endpoint Configuration（Type 0），提供了最多6个BAR，而对Switch（Type 1）来说，只有2个。BAR是干什么用的？

每个PCIe设备，都有自己的内部空间，这部分空间如果开放给Host（软件或者CPU)访问，那么Host怎样才能往这部分空间写入数据，或者读数据呢？CPU只能直接访问Host内存（Memory）空间（或者IO空间，我们不考虑），不能对PCIe等外设直接操作。此时就需要Root Complex，RC。RC可以为CPU分忧。

具体解决办法是：CPU如果想访问某个设备的空间，由于它不能亲自跟那些PCIe外设打交道，因此叫RC去办。比如，如果CPU想读PCIe外设的数据，先叫RC通过TLP把数据从PCIe外设读到Host内存，然后CPU从Host内存读数据；如果CPU要往外设写数据，则先把数据在内存中准备好，然后叫RC通过TLP写入到PCIe设备。

2.2、具体实现过程

具体实现就是上电的时候，系统把PCIe设备开放的空间（系统软件可见）映射到内存空间，CPU要访问该PCIe设备空间，只需访问对应的内存空间。RC检查该内存地址，如果发现该内存空间地址是某个PCIe设备空间的映射，就会触发其产生TLP，去访问对应的PCIe设备，读取或者写入PCIe设备。

一个PCIe设备，可能有若干个内部空间（属性可能不一样，比如有些可预读，有些不可预读）需要映射到内存空间，设备出厂时，这些空间的大小和属性都写在Configuration BAR寄存器里面，然后上电后，系统软件读取这些BAR，分别为其分配对应的系统内存空间，并把相应的内存基地址写回到BAR。（BAR的地址其实是PCI总线域的地址，CPU访问的是存储器域的地址，CPU访问PCIe设备时，需要把总线域地址转换成存储器域的地址。）

BAR示例1——32bit内存地址空间请求

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/463518877
下图展示了设置建立一个BAR的基础步骤，在本例中，要请求一个4KB大小的不可预取内存（NP-MMIO，non-prefetchable memory）。在图中，展示了BAR在配置过程中的三个节点：

在图中的（1）当中，我们可以看到BAR处于未初始化的状态。设备的设计者已经将低位bit固定为一个数值，来指示需要的memory的大小和类型，但是高位bit（可写可读的）则仍然是用X来表示，这代表它们的值还未知。系统软件将会首先把每个BAR都通过配置写操作来将可写入的bit写为全1（当然，被固定的低位bit不会受到配置写操作的影响）。在下图的（2）中展示的BAR就是处于第二阶段的样子，除了被固定的低位bit以外，所有的bit都被写为1。
写为全1这个操作是为了确定最低位的可写入的bit（least-significant writable bit）是哪一位，这个bit的位置指示了需要被请求的地址空间的大小。在本例中，最低位的可写入的bit为bit 12，因此这个BAR需要请求2的12次方（或者说是4KB）的地址空间。如果最低位的可写入的bit为bit 20，那么这个BAR就要请求2的20次方（1MB）的地址空间。
在软件将BARs中所有可写bit都写为1后，软件将从BAR0开始，依次读取每个BAR的数值，以此来确定各个BAR要请求的地址空间的大小和类型。下标中总结了本例中对BAR0进行配置读的结果。
这个过程中的最后一步就是系统软件为BAR 0分配一个地址范围，因为对于软件来说现在已经知道了BAR 0请求的地址空间的大小和类型。下图的（3）中展示了BAR处于第三阶段的样子，此时系统软件已经将一块地址区域的起始地址写入了BAR 0中。在本例中，这个起始地址为F900_0000h。

到这里为止，对BAR 0的配置就完成了。一旦软件启用了命令寄存器（Command register，偏移地址04h）中的内存地址译码（memory address decoding），那么这个设备就会接受所有地址在F900_0000h-F900_0FFFh（4KB大小）范围内的memory请求。
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BAR示例2——64bit内存地址空间请求

在上一个例子中，我们看到了通过BAR 0来请求不可预取内存地址空间（NP-MMIO）。在当前的例子中，如图 4‑5所示，BAR 1和BAR 2被用来请求一块64MB的可预取内存地址空间。这里使用了两个连续相连的BAR是因为这个设备支持这个内存地址空间的请求使用64bit地址，这意味着如果需要的话，软件给它分配的地址空间可以超过4GB地址边界（并非必要）。由于地址可以是64bit位宽，因此必须将两个连续相连的BAR一起使用。
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