【精讲】PCIe基础篇——BAR(Base Address Register)详解

一、为什么需要BAR

        系统中的每个设备中，对地址空间的大小和访问方式可能有不同的需求，例如，一个设备可能有256字节的内部寄存器/存储，应该可以通过IO地址空间访问，而另一个设备可能有16KB的内部寄存器/存储，应该可以通过基于MMIO的设备访问。哪些地址应该使用哪种方式（IO或Memory）来访问它们的内部位置，这是系统软件（即BIOS和OS内核）的工作。因此设备必须为系统软件提供一种方法来确定设备的地址空间需求。这种需求就是是通过配置空间头部中的Base Address register （BAR）实现的。一旦系统软件知道设备在地址空间方面的需求，系统软件将分配一个适当类型(IO, NP-MMIO或P-MMIO)的可用地址范围给该设备。如下图所示，Type 0报头有6个bar可用(每个bar的大小为32位)，而Type 1头只有2个bar可用。Type 1报头在所有网桥设备中都可以找到，这意味着每个switch端口都有Type 1报头。Type 0报头在非网桥设备中，比如end point。

 二、BAR详解

图1 是Memory BAR寄存器的结构，图2是IO类型的BAR寄存器

 图1 Base Address Register for Memory

图2  Base Address Register for I/O

bit0:表示设备寄存器是映射到memory（0）还是IO（1)空间。
bit1: reserved 0
bit2: 在base adress register for Memory 中0表示32位地址空间，1表示64位地址空间。
bit3:在memory BAR中用来表示该设备是否允许prefetch，1表示可以预取，0表示不可以预区。
bit4~31:用来表示设备需要占用的地址空间大小。

        针对bit4~31，某些位为只读，且0来表示需要的地址空间大小，比如一个PCI设备需要占用1MB的地址空间，那么这个BAR就需要实现高12bit是可读写的，而20-4bit是只读且为0。地址空间大小的计算方法如下：

a.向BAR寄存器写全1

b.读回寄存器里面的值，然后clear 上图中特殊编码的值，(IO 中bit0，bit1， memory中bit0-3)。

c.对读回来的值取反，加一就得到了该设备需要占用的地址内存空间。

        Bios可以为设备预留大于BAR要求的地址空间，而PCI规范中建议为需要的地址空间少于4KB的设备分配4KB的地址空间。映射到IO空间的设备每个BAR不能占用大于256byte，在X86系统中IO编址是16位的，此时BAR中的高16bit需要hardware to zero。构造完成以后需要为设备分配地址空间，此时就是把分配给设备的起始地址写入BAR寄存器即可。我们发现PCI这种地址自然地要求为设备分配的地址空间要跟BAR定义的大小对齐，因此PCI设备的映射空间始终是跟BAR的大小对齐的。

        如果某个设备的BAR没有被全部使用，则对应的BAR应被硬件全被设置为0，并且告知软件这些BAR是不可以操作的。对于被使用的BAR来说，其部分低比特位是不可以被软件操作的，只有其高比特位才可以被软件操作。而这些不可操作的低比特决定了当前BAR支持的操作类型和可申请的地址空间的大小。

        一旦BAR的值确定了（Have been programmed），其指定范围内的当前设备中的内部寄存器（或内部存储空间）就可以被访问了。当该设备确认某一个请求（Request）中的地址在自己的BAR的范围内，便会接受这请求