UEFI开发历程3—PCIe总线设备的探索

Note：本文仅为个人学习所做笔记，不保证知识点的准确。

前言

PCIe总线上面可以挂许多的设备，这些设备挂在Host Bridge下的Bridge或者Switch下，而对于设备来说，它的总线号（bus)是软件分配的，但设备号(device)以及功能号(function)都是硬件直接决定的。Bridge和Device是PCIe的两大类型设备，这里的桥从另一种方式来看也可以算一种设备，只不过桥只具备挂接设备的功能而已。而Bridge和Device的配置空间也是不一样的。如下图1与图2所示。配置空间的相关说明可以查看相关的文档了解，这里不多说。

             图1-Device的配置空间                                           图2-Bridge的配置空间

所有的设备，只要存在，那么它的功能0一定是存在的。

一般来说Bridge或者设备都有可能具备多个功能呢，这些功能可能并不连续，对应的，两个挂在同一bridge下的设备的设备号也可能是不连续的，比如挂在同一bridge下的有两个设备，一个是设备2，另一个可能就是设备1F了。

而Switch，它是分线器，相当于usb的扩展口一样，据我的了解，它并不指一种类型，而是多个bridge的集合体，由于系统会为每个bridge都分配一个bus号，因此Switch下的设备的bus号可能是一样的，也可能是不一样的。

设备的内部空间。

每个PCIE设备都有一个或多个function，这些设备可以通过switch来与其他的设备交互，也可以挂接在bridge上与CPU进行交互。

而这些设备都有自己的ROM/RAM/寄存器，是设备的内部Mem空间以及IO空间。

同时每个设备也都具备4k bytes的配置空间，配置空间的前256bytes是为了预留给兼容PCI的PCI兼容配置空间，而后面的4K-256bytes（这个是因为有PCI兼容配置空间，而设备的总配置空间是4k bytes，所以减去）的空间是PCIE扩展配置空间。

内存给设备分配的空间

上面说了每个PCIE设备都有4k bytes的配置空间，那么系统就会为每个设备都分别分配一个4k bytes的内存空间。

而PCIE一共支持256条bus，32个device，8个function，假设负载全满的时候，内存分配的内存空间则是：4K * 256 * 32 * 8 = 256 * 1024K = 256 * 1M = 256M bytes。

设备空间在内存空间/IO空间的映射

映射原理

映射图如下图3所示。

图3-设备空间在内存空间或IO空间的映射

对PCIE设备配置空间的地址映射有两种方式：内存映射以及IO映射，因此可以通过内存访问或者IO访问来访问其配置空间。

对于部分设备来说，比如Realtek网卡设备，它的配置空间可以映射到IO空间，但这种方式仅能访问前256 bytes的数据；也可以映射到内存空间，这种方式就都能访问到4k bytes的数据。

而对于Realtek网卡设备来说，它的内部IO空间仅仅映射在IO空间，而MAC等信息位于网卡设备的内部IO空间。因此想读取到MAC地址，有两种方式：

（1）可以通过IO端口访问配置空间前256 bytes，找出映射的IO空间的基地址，然后再进入到IO空间查看；

（2）也可以先通过内存访问的方式访问配置空间那256 bytes，找出映射的IO空间的基地址，然后再进入到IO空间查看。

然而，想访问前256 bytes的数据，则需要知道网卡设备的bus号、device号、function号，至于PCIe上存在哪些设备，则需要枚举PCIe上的设备，在知道bus号、device号、function号后才可以通过他们访问相关设备的配置空间，像Vendor ID是设备的厂商号，Device ID是设备的设备ID，Class Code则是哪种设备的分类寄存器。

那么比如在知道网卡的bus号、device号、function号后，如何访问网卡的配置空间呢，又是如何在知道了配置空间后读取IO空间或者Mem空间呢，其实很简单。

将bus号、device号、function号转换为相关的地址后，通过通过相关的函数就可以对配置空间进行读取操作了。转换原理如图4所示。

图4-转换原理

上图bus号、device号、function知道后，那么Doubleword指的是双字偏移地址，配置空间有256bytes的寄存器，而Doubleword仅占据6bit，6bit就意味着2^6=64的寻址范围，而双字就意味着4个字节，那么64*4正好是256个字节了，因此这个Doubleword指的是双字的地址。

访问配置空间的方法

IO访问方式

PCI兼容配置空间通过映射到IO空间中，然后CPU可以通过IO端口（CF8/CFC端口，一个指定地址，一个指定数据）来访问这部分内容。

//此处代码会读取相关地址处起的32位数据
Address = BIT31|((BUS & 0XFF)<< 20)|((DEV & 0x1F)<<15)|((Fun & 0x7) << 12) | 偏移; 
IoWrite32(0xCF8, address); //将要读取的地址写入到CF8 
Date32 = IoRead32(0xCFC); //从CFC端口读出地址上的数据

//或使用这种方式
UINT32 BDFConvertTOAddress(UINT32 Bus , UINT32 Device , UINT32 Function , UINT32 Offset){
	return Bus*0x100000 + Device*0x8000 + Function*0x1000 + Offset;
}

BIT31是保留位，默认为1，是配置空间映射的使能位。IO访问的方式只能读取前256bytes。

内存访问方式

每个PCIE功能都有自己的4k扩展配置空间，它们的前256bytes可以映射到IO空间，也可以映射到内存中，而4k-256bytes只能被映射到内存中，映射到内存上的配置空间需要通过相应的内存基地址+（bus+device+function转换地址）+偏移进行访问。

内存基地址是指PCIe总线的基地址，在edk2或者AMI bios代码中都有相应是函数来获取它。比如PciExpressLib中就有相应是函数，如下图所示的函数可以获取PCIe总线的基地址。

下图的函数内置了上图获取基地址的函数，因此可以直接使用该函数传入由bus、device、function、Doubleword转换来的地址进行访问设备的配置空间。

内部IO空间以及内部内存空间的访问

而在获取了设备的配置空间后，配置空间里有6个base address寄存器可供使用，它们正是设备内部的IO空间以及内部内存Mem空间的基地址。在知道这些地址后，即可通过IO方式或者内存访问方式访问它们。

设备的枚举

上面提到的设备是如何枚举的呢，由于PCIe只支持至多256条bus，32条device，8个function，因此最简单的是通过三个for循环，直接检索，判断该设备存不存在（Vendor ID为0xFFFF代表设备不存在，否则存在），存在的话记下该bus、device、function即可使用它们去访问配置空间。

但实际上，刚开始系统是只知道bus0的，它是通过一步步往下寻找才能找到其他设备的，这种寻找设备的方法据我了解其实和树的前序遍历是一模一样的，但值得注意的是这棵树并不是二叉树。

最后提一下，其实还可以通过使用Protocol的方式来读取配置空间，这个方式是更简单的。