【紫光同创PCIE教程】——DMA读写/PIO内存读写TLP解析

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一：PIO内存读写操作TLP解析

PCIE有三种空间——内存空间、IO空间、配置空间，其中内存空间是目前PCIE设备常用的空间，IO空间是为了兼容以前的PCI设备（PCIE设备几乎不用IO空间了），配置空间是PCIE设备的信息空间（ID、BAR、等等都写在里面，主机内核程序初始化会读PCIE的配置空间信息，从而给Endpoint分配PICE总线域空间等一系列操作）。

PIO并不是说读写IO空间，原理上还是读写内存空间，PIO读写类似读写寄存器一样，每次对内存特定地址写一个数据（数据大小一般为32bit）。使用官方驱动指令读写PIO的操作，实质和使用WinDriver操作Read/Write Memory无异，不过官方驱动把每次的数据长度限制在了1DW（32bit）内，大于1DW的数据，会分多次发送。

写1DW数据。

写2DW数据。

写3DW数据。

读1DW数据。

读2DW数据。

读3DW数据。

注意的是，根据PCIE协议的Mwr，一次Mwr/Mrd数据大小最大可以是4096Byte，上面大于4Byte分了多次Mwr发送是驱动程序的做法。看到时序图的信号都是满足要求的，但是具体信号的数据是怎样的呢？现在以读写12Byte Memory为例来分析这些数据。

Write/Read Memory 使用到了三种类型的报文—Mwr/Mrd/CplD。在使用PCIE IP时，底层的东西可以不需要太关心，但是解析接收到的TLP解析和发送合乎要求的TLP是重点。

对于Mwr/Cpld，他们携带的数据就是数据，没什么需要分析的，需要分析的是TLP中的Header，Mrd报文只有Header，分析Header才是重点。

注意的是，Mwr/Mrd是地址路由，而CplD是ID（Bus/Device/Function）路由，这是协议规定的，所谓路由简单理解就是RC根据地址/ID，能够在众多的PCIE传输路径中把数据送到目标设备，因为内核程序初始化给给每个BAR分配了PCIE总线域空间，每个BAR空间地址都是独立映射的，而ID根据（Bus/Device/Function）唯一确定。

对于Mwr/Mrd的Header格式如下图：

对于CplD的Header格式如下图：

Mwr:
Header:0x0000_0000_df20_2000_0000_000f_4000_0001
Data: 0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_0102_0304
Header:0x0000_0000_df20_2004_0000_000f_4000_0001
Data:0x0000_0000_000_0000_0000_0000_0506_0708
Header:0x0000_0000_df20_2008_0000_000f_4000_0001
Data:0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_090a_0b0c

对于Mwr的Header，对着协议格式分析，很容易知道第一个Header地址（32bit）是df20_2000，携带数据长度Length（以DW为单位）为1，报文类型[Fmt,Type]=0x40（表明为3DW Mwr），字节使能[last DW BE,first DW BE]=0x0f，其他信息对座入号就行了，特别注意的是TLP是大端格式，[Fmt,Type]=axis_master_tdata[31:24]，实际代表的是0Byte的位置，其他DW数据亦如此。

Mrd:
Header:0x0000_0000_df20_2000_0000_000f_0000_0001
Header:0x0000_0000_df20_2004_0000_000f_0000_0001
Header:0x0000_0000_df20_2008_0000_000f_0000_0001

对于Mrd的Header，对着协议格式分析，很容易知道地址（32bit）是df20_2000，请求数据长度Length（以DW为单位）为1，报文类型[Fmt,Type]=0x00（表明为3DW Mrd），字节使能[last DW BE,first DW BE]=0x0f，其他信息对座入号就行了，深入了解可读PCIE协议规范。

CplD:
Header:0x0000_0000_0000_0000_0100_0004_4a00_0001
Data:0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_0102_0304
Header:0x0000_0000_0000_0010_0100_0004_4a00_0001
Data:0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_0506_0708
Header:0x0000_0000_0000_0020_0100_0004_4a00_0001
Data:0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_090a_0b0c

对于Cpld的Header，采用的是ID路由，很容易知道Requester ID为0x0000，Completer ID为0x0100，回复数据长度Length（以DW为单位）为1，报文类型[Fmt,Type]=0x4a（表明为CplD），Byte Count为0x004，TAG为0x00,其他信息对座入号就行了。具体的含义可查询PCIE协议规范。

二：DMA读写操作TLP解析

DMA直接内存访问，内存访问的发起者是FPGA，所以主机要发数据给FPGA，首先是发送DMA读指令和数据在主机内存的首地址给FPGA，FPGA根据内存首地址和数据长度发起一个Mrd，主机再回复CplD，这样就把数据传送到FPGA，称为DMA读操作。与之相反的是，主机发送DMA写指令和数据要放主机内存首地址给FPGA，FPGA根据内存首地址和数据长度发起带数据Mwr，这样就数据传送到主机，称为DMA写操作。

1024Byte DMA读，主机到FPGA。

1024Byte DMA写，FPGA到主机。

2048Byte DMA读，主机到FPGA。

2048Byte DMA读，FPGA到主机。

通过上面的DMA读写时序图不难发现，实现DMA读，主机会首先发3次Mwr TLP给FPGA，FPGA解析MWr TLP后会发起Mrd TLP，主机再回复CplD TLP，这样就数据传输到FPGA了；实现DMA写，主机首先发3次Mwr TLP给FPGA，FPGA解析MWr TLP后会直接上发带数据的MWr TLP，这样就数据传到主机了。

主机的3次MWr TLP是什么呢？通过解读例程的DMA模块下的dma_controller模块，不难发现，BAR1+0x100偏移量的数据是指示FPGA发起带数据的Mwr/不带数据的Mrd（也包含数据长度等），BAR1+0x100偏移量的数据是搬运数据的主机物理内存首地址的低32位，BAR1+0x100偏移量的数据是搬运数据的主机物理内存首地址的高32位。
DMA是直接存储器访问，要直接从主机内存搬数据/写数据，首先要知道主机内存首地址。一定是3次Mwr TLP通信握手吗？肯定不是的，这是生成IP例程的做法，自行设计DMA控制器的话，可以使用更复杂/更有效的握手机制来触发DMA操作。

时序图中Header：

DMA——主机的Mwr (以1024Byte为例）

第一次：
Header:0x0000_0000_df20_4100_0000_000f_4000_0001
Data:0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_ff00_0100

第二次：
Header:0x0000_0000_df20_4110_0000_000f_4000_0001
Data:0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_00a0_2647

第三次：
Header:0x0000_0000_df20_4120_0000_000f_4000_0001
Data:0x0000_0000_0000_0000_0000_0000_0100_0000

这个Mwr是32bit Address访问，存储器访问都是通过地址路由，Header的意义和上面Mwr分析是一致的。

DMA——主机的CplD(以1024Byte为例）

第1个Header：0x0000_0000_0100_0000_0000_0200_4a00_0020

第2个Header：0x0000_0000_0100_0000_0000_0180_4a00_0020

第3个Header：0x0000_0000_0100_0000_0000_0100_4a00_0020

第4个Header：0x0000_0000_0100_0000_0000_0080_4a00_0020

第5个Header：0x0000_0000_0100_0100_0000_0200_4a00_0020

第6个Header：0x0000_0000_0100_0100_0000_0180_4a00_0020

第7个Header：0x0000_0000_0100_0100_0000_0100_4a00_0020

第8个Header：0x0000_0000_0100_0100_0000_0080_4a00_0020

完成报文使用ID路由（协议规定，简单就是对于每一个BAR，都有自己的ID（Bus/Device/Function），通过这个唯一的ID可以找到接收目标）。

CplD的Header只能是3DW组成，具体和上面CplD分析是一致的。需要注意的是协议规定CplD最大数据长度是1024DW（4096 Byte）,但是我们IP配置页面默认设置Max Playload Size其实是128 Byte,所以大于128 Byte的数据需要分多次发送。需要注意的是前4 Header的TAG=0x00，后4 Header的TAG=0x01，为什么这样，因为FPGA发了两次Mrd，TAG就是记录发了Mrd，收到完成报文中TAG和Mrd一致，代表当前Mrd完成了。

可以知道TAG是8bit，一旦Mrd的TAG=0xff，但是0x00的CplD还没回复，Mrd便不可再发送了（对于同一个的BAR的Mrd）。

可以看到Byte Count是变化的，这个很好理解，表示当前传输距离Mrd请求的数据量还有多少（这里不是我们最终的1024 Byte，而是一个Mrd的Byte数）。第一个Header为0x200，表示距离Mrd请求数据量还有512 Byte，第二个Header为0x180，表示距离Mrd请求数据量还有384 Byte，以此类推。一次Max Playload Size是128 Byte，传输一次CplD，距离目标就减少128 Byte。到了第5个Header，为什么回到512 Byte了，因为第5个Header CplD是新的Mrd请求了，同样请求长度为512 Byte。

DMA——FPGA的Mrd(以1024Byte为例）

Header:0x20d5_0400_0000_0000_0000_0001_0100_1c80
Header:0x20d5_0480_0000_0000_0000_0001_0100_3c80

这个Mrd是64bit Address访问，存储器访问都是通过地址路由，Header的意义和上面Mrd分析是一致的。这个64bit的地址是FPGA要读主机的内存的地址，低32bit放在第4DW，高32bit放在了第3个DW，这个地址肯定不是固定的，即使同一台电脑，主机每次读写开辟内存空间放数据的位置也不一样。

这里Mrd为什么需要分两次发送呢，因为PCIE IP设置的Max_rd_req_size为512 Byte，所以大于512 Byte的数据，需要分多次Mrd，例如向主机内存请求2048 Byte的数据，需要4次Mrd，每一个Mrd记录一个Tag，这样就对应上了CplD的Tag。

DMA——FPGA的Mwr(以1024Byte为例）

Mwr已经展开多次了，就不重复了。

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