PCI/PCIe基础——配置空间

简介

PCI/PCIe设备有自己的独立地址空间，这部分空间会映射到整个系统的地址空间。

映射地址在BIOS/UEFI下指定(如果有的话，对于使用非BIOS启动的OS，不清楚)，它有两种类型，一种是MMIO，一种是IO。对于MMIO的访问，跟访问内存的方式一样，它从称为PCIEXBAR的基地址开始，有很大的一段空间，这个PCIEXBAR的值根据不同的平台可能不同，大致可能值有0xC0000000、0xE0000000等，关于这个值是怎么使用的后面的章节会讲到；对于IO，它是一种比较老的访问PCI/PCIe设备的方式，而且占有的空间相比MMIO非常小，好像只有64K的空间。

PCI/PCIe设备使用的空间也有两个部分，一部分称为配置空间（通过MMIO）；另一部分通过配置空间的BAR寄存器指定，是设备实现功能所需要用到的地址空间（有MMIO也有IO， 不过IO用的比较少了）。

 

PCI/PCIe配置空间的访问方式

PCI/PCIe设备的配置空间通过PCIEXBAR加上设备的Bus、Device、Fun号的转换来得到，BDF到地址的转换关系如下：

/**
  Macro that converts PCI Bus, PCI Device, PCI Function and PCI Register to an
  address that can be passed to the PCI Library functions.

  @param  Bus       PCI Bus number. Range 0..255.
  @param  Device    PCI Device number. Range 0..31.
  @param  Function  PCI Function number. Range 0..7.
  @param  Register  PCI Register number. Range 0..255 for PCI. Range 0..4095
                    for PCI Express.

  @return The encoded PCI address.

**/
#define PCI_LIB_ADDRESS(Bus,Device,Function,Register)   \
  (((Register) & 0xfff) | (((Function) & 0x07) << 12) | (((Device) & 0x1f) << 15) | (((Bus) & 0xff) << 20))

其中的Register是具体要访问的寄存器。

这是最常用的一种方式，通过将B/D/F转换成MMIO的地址，之后就可以通过MMIO的方式来访问，下面是一个例子：

UINT8
EFIAPI
PciExpressRead8 (
  IN      UINTN                     Address
  )
{
  ASSERT_INVALID_PCI_ADDRESS (Address);
  return MmioRead8 ((UINTN) GetPciExpressBaseAddress () + Address);
}

不过这里有个问题，通过PCI_LIB_ADDRESS得到的并不是实际的系统地址空间，它算是一个偏移，还需要加上一个基地址（就是这个通过函数GetPciExpressBaseAddress()得到的）。在UEFI中这个基地址被设置成一个PCD变量：PcdPciExpressBaseAddress。它的值根据不同平台可能会不同。

不过重点不是它的值，重点是如何设置这个值，因为只有设置了这个值才能使用上面说的方式来读写PCI/PCIe配置空间。

而PCIEXBAR也是要写到PCI设备的配置空间中的，它会被写到B0/D0/F0/R060h这个寄存器（不同平台可能不同）。

这里就遇到了一个问题，该通过什么方式来写这个值呢？

实际上，需要注意几点：

1. 上述提供的访问PCI/PCIe配置空间的方式是PCIe的方式；

2. 早期在没有PCIe的时候，要访问配置空间时，使用的是两个IO端口，CFCh和CF8h，通过往一个端口指定寄存器，另一个端口写值的方式为指定寄存器赋值。

所以我们要注意，有两个配置空间的方式：

1. 传统方式，写IO端口CFCh和CF8h。只能访问PCI/PCIe设备的开始256个字节（因为PCI设备的配置空间本来就只有256个字节）；

2. PCIe的方式，就是上面提到的方式，它可以方位4K个字节的配置空间。

 

PCI配置空间

由于PCI/PCIe设备分为Bridge和Agent两种，所以配置空间也有两种类型：

其中Agent的配置空间类型称为Type 00h：

简单介绍其中的几个寄存器的意义：

Vendor ID，Device ID：标记了一个设备的生产厂商和具体的设备，比如Intel的设备Vendor ID通常是0x8086，Device ID就需要厂家自定义了，总之能够识别到具体是哪个设备就可以了。

Status：设备状态字，具体每个BIT的意义见下图：

Command：设备状态字：

Base Address Registers：决定PCI/PCIe设备空间映射到系统空间具体位置的寄存器，映射方式有两种，分别是IO和Memory映射：

处理器系统资源分为IO资源和MMIO资源两种，因此PCI/PCIe空间地址对应也有两种。

下面是Bridge的配置空间，它的类型被称为Type 01h：

Type 01h中也有Vendor ID，Device ID，Status，Command等寄存器。

另外需要注意的是这里的BAR计算得到的系统空间是该桥下挂的所有设备的系统空间的总和。

另外Subordinate Bus Number、Secondary Bus Number和Primary Bus Number，这些寄存器共同确定了该桥上行和下行的所有Bus号。

 

PCIe配置空间

PCIe是在PCI基础上发展的协议，PCIe也有上述的PCI配置空间，并且在此基础之上进行了扩展，其扩展形式是通过一种称为Capability的寄存器块来完成的。

PCI配置空间的大小是256个字节，即0x00~0xFF，而PCIe的配置空间扩大到了0x00~0xFFF，下图是具体的布局。

在原来的配置空间中，有一个寄存器指定了第一个Capability的位置，而第一个Capability又指定下一个Capability，构成了一串Capability，具体如下图所示：

各个不同的Capability的作用不同，且不同的设备有不同的Capability，在这里不一一介绍了。

 

其它说明

处理器系统中会为所有的PCI/PCIe设备留足足够的空间，但是几乎没有系统会满配，所以很多的配置空间实际上是空的，此时如果去访问，就会得到全FF，表示设备不存在。

下面是linux下访问PCI/PCIe配置空间的一个例子：

注：以上是一个Intel网卡的PCI/PCIe配置空间，这是虚拟机下的结果，真实机器上可能有所不同。