PCIe Expansion Roms

PCIe Expansion ROMs

1. 为什么需要Expansion ROM

为了将操作系统加载到内存中，系统需要三类设备：

• 存储设备：用于保存操作系统。
• 显示设备：用于显示当前的启动进度。
• 输入设备：用于接收用户输入信息。

在这个阶段，操作系统还没有被加载到内存执行，也就意味着操作系统中对应的设备驱动程序也没有被加载，因此，就需要在Expansion ROM里面存放一份启动阶段使用的设备驱动程序。

说的直接点就是，BIOS阶段向使用一个PCIe设备，但是原始的BIOS不包含这个设备的驱动程序，这个时候就从这个PCIe设备Expansion ROM里获取设备驱动程序代码，并加载到内存中执行。

2. 怎么知道PCIe设备是否包含Expansion ROM

并不是所有PCIe设备都包含Expansion ROM，所以就需要软件进行判定。

在PCIe的配置空间（PCIe Configuration Space）里有个叫“Expansion ROM Base Address Register”的东西，利用它判定Expansion ROM的步骤如下：

• 向Expansion ROM Base Address Register写入0xFFFF FFFF。
• 读取Expansion ROM Base Address Register，如果值是0，那就表示不存在Expansion ROM(Game Over!)。如果读取的值非0，那就表示存在Expansion ROM，但这并不就表明这东西可用了，还需要下面的判定步骤。
• 给PCIe Expansion ROM分配一个合适的地址，把地址的值写入Expansion ROM Base Address Register。
• 将Expansion ROM Base Address Register bit 0置为1，使能Address Decode。
• 读取ROM的前两个字节，如果前两个字节是AA55h，那就表明当前ROM是合法可用的，否则还是Game Over。

3. 怎么知道Expansion ROM的空间大小

在Expansion ROM的判定阶段，有一个过程是向Expansion ROM Base Address Register写入0xFFFF FFFF，然后读取它的值，利用这个值就可以判定出Expansion ROM的空间大小。

假设写入0xFFFF FFFF之后，读出的值是0xFFFE 0000，那么第17位就是非0值的最低位，那么Expansion ROM的大小就是2^17 Bytes= 128KB。PCI文档规定，ROM最大可为16MB，即bit[31:25]必须是可读/可写的。

4. Expansion ROM里存了什么

4.1 不只一份Code Image

就像之前提到的，ROM存了设备的驱动程序代码，专业点叫做code image。实际上，PCI协议规定ROM里可以存放不只一份code image，不同的code image对应不同的处理器架构、同一供应商的不同产品等等。BIOS或者其他软件需要选择最合适的code image提取到内存中执行。

每一份code image包含run-time code image和initialization code image两部分。BIOS或其他上位机软件按照如下步骤使用code image：

• 将最合适的code image拷贝的内存中。
• 将Expansion ROM Base Address Register bit 0置为0，关闭Expansion ROM’s address decoder。
• 执行initialization code。
• 释放initialization code所占用的内存。
• 将剩余的code image所占用的内存部分设置为写保护（write-protected），避免被修改。

4.2 Code Image格式

4.2.1 Header Format

在每个image最开始的地方都有一个Header，因此可以叫它code image header。

下面的表格描述了code image header的格式（第一列的offset是指相对于该image起始位置的偏移）：

Offset 02h~17h的位置存放的是处理器相关的数据，其格式如下表：

4.2.2 Data Structure Format

Data structure中包含了设备信息和image信息。

由于code image header中使用两个bytes存放指向data structure的指针，所以data structure只能存放在该code image的前64KB范围内。

当code image中包含run-time code时，data structure必须放在run-time code中。但是在某些情况下，code image可以不包含run-time image，只有initialization code，此时data structure放在initialization code中。

Data Structure格式如下表：

• Vendor ID & Device ID & Class Code ：只有当这三个参数与设备匹配时，该image才会被BIOS加载到内存中执行。
• Code Type：表明当前image的执行条件。
  • Code Type = 00h：Intel x86 (兼容IBM PC-AT）架构可执行代码。
  • Code Type = 01h：符合open firmware标准，可结合OpenBoot使用。
  • Code Type = 02h：HP PA/RISC架构可执行代码。
  • Code Type = 03h：Extensible Firmware Interface（EFI）

参考资料：《PCI Express System Architecture》