MindShare PCIE 3.0 笔记-第三四章

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Charpter 3: Configuration 概述

主要介绍 PCIe 驱动对 PCIE 设备中 function 的 Config Header 的访问.

1. 总线、设备与功能定义

每一个 PCIE function 都是独一无二的，通过设备号与总线号区分。

2. PCIe 总线

PCIe 最多可以分配 256 个总线总线号，总线 0 在 Root Complex 中，由硬件分配。总线 0 下挂一个或多个 PCI-PCI bridge。

每一个 PCI-PCI bridge 都会创建一个新总线。

pcie 驱动从 bus0,device0, funcion0 开始查找，如果查找到一个 PCIE Bridge，PCIE 驱动就分配一个新的总线号。（枚举过程）

3. PCIe 设备

允许 32 个设备连接到同一个 PCIE 总线，但是 PCIE 是点对点的连接，意味着只有一个设备可以连接到 PCIE 链路，这个设备总是设备 0.
但是 Root Complex 与 Switch 内部存在一条虚拟总线，这个虚拟总线允许多个设备连接。

所以需要使用 Switch 来扩展 pcie 拓扑结构

4. PCIe 功能

每个设备都必须实现 function 0, 每一个设备最多实现 8 个 function, function 编号不必连续。

每一个 function 都有自己的配置空间。

5.示例的 PCIe 拓扑结构

下图展示了一个 PCIe 示例拓扑结构中 bus, device, function 分配与使用：
在这里插入图片描述

6. 配置地址空间

PCIe 设备为每一个 function 定义了一个专用的配置空间块。配置空间前 64 字节为 PCI 兼容配置空间。

配置空间的剩余 192 字节可以实现一些可选的功能结构。
PCIE 必须实现如下的功能结构：

PCIe 功能结构
电源管理
MSI、MSI-X

7. 64 字节 PCI 兼容配置空间

64 字节 PCI 兼容配置空间如下：
在这里插入图片描述

8. 扩展配置空间- 4KB PCIe Configuration Space

PCIe 诞生时，256 字节配置空间不足以包含所有的功能结构，所以将 256 字节配置空间扩展为 4KB，前 64 字节依旧为 PCI 兼容配置空间：
在这里插入图片描述

9. Host-PCI Bridge 配置空间

Host-PCI Bridge 是一个特殊的设备，位于 Root Complex 中，接受 CPU 的请求，并转换为标准 PCI 请求。代表 CPU 与下游 PCIe 设备通信。

Host-PCI Bridge 的配置空间实现是基于芯片的，不同 SOC 厂商也许有不同的实现，且通过内存映射的寄存器访问。

10. 只有 Root-Complex 可以发起配置请求

Root Complex 作为 CPU 代言人，只有 Root Complex 可以发起配置请求。

Root Complex 基于设备的总线号、设备号与功能号配置下游的设备。

11. 配置空间请求事务的生成

CPU 由于只能访问地址，所以不能直接生成 PCI 的配置读、写请求，需要 Root Complex 将地址访问翻译为对应的 pci 配置请求。

配置空间能通过两种方式访问：
1. 传统 PCI 配置机制，使用 I/O 间接访问（x86 处理器？）；
2. 增强型的配置机制，使用内存映射访问。

12. 传统 PCI 配置机制 - I/O 间接访问（x86? ARM不使用）

使用两个 4 字节的 I/O 地址空间的寄存器实现配置空间的间接访问。

Configuration Address Port: 0xCF8
Configuration Data Port: 0xCFC

Configuration Address Port 寄存器位域说明如下：
在这里插入图片描述

13. 总线比较与数据端口访问

PCI bridge 实现一个 Secondary Bus Number Register (次级总线号寄存器)和一个 Subordinate Bus Number Register (下属总线号寄存器)。

次级总线号是 bridge 之下的第一个总线号；

下属总线号是 bridge 之下的最大的一个活跃目标总线号

当 Bridge 收到一个配置请求，会对比目标总线号是否在 secondary Bus number 与 Subordinate Bus number 之间，如果在，说明目标设备是当前总线的下游设备。

如果目标总线号与次级总线号相等，那么 bridge 会发送 Type 0 Request(硬件数据包类型)。

如果目标总线号在 secondary Bus number 与 Subordinate Bus number 之间，那么 bridge 会发送 Type 1 Request.

下图为次级总线号与下属总线号分配示例：
在这里插入图片描述

14. 增强型配置访问机制 - 地址映射访问（ARM，我们主要使用）

增强型配置访问机制使用地址映射的机制访问配置空间。

使用增强型配置访问机制，每一个 function 需要 4KB 配置空间，一个 PCIE 架构需要 256MB 配置空间。

地址映射中位域定义如下表：

位域	描述
bit[63:28]	配置空间 256MB 对齐，表示配置空间的高位，具体值由 SOC 芯片厂商确定
bit[27:20]	Bus Number - [0 : 255]
bit[19:15]	Device Number - [0 : 31]
bit[14:12]	Function Number - [0 : 7]
bit[11: 2]	4KB 配置空间内寄存器偏移，4字节对齐
bit[ 1: 0]	定义访问的大小与字节使能设置（不清楚，默认0？）。

直接访问上述位域组成的地址，可访问任一 bus / dev / func 的配置空间。

比如：

mov ax,[E0400000h];memory-mapped Config read，16bit 读访问

上述 16 位内存读请求，表示访问 Bus 4, Dev0, Function 0, Register 0（Vendor ID 寄存器）。

PCIe 配置读请求发送流程如下图：
在这里插入图片描述

15. 配置空间访问请求

这是硬件相关的，软件不需要太关心。

Bridge 可以翻译生成 Type0 与 Type1 两种配置请求，当目标总线是当前 bridge 的次级总线时，生成 Type 0 请求，当目标请求是下属总线时，生成 Type 1 请求。

16. PCIe 系统枚举

系统上电后，pcie 驱动必须扫描整个 pcie 拓扑结构，用于分配 Bus Number，扫描过程称为枚举。

PCI-PCI bridge 的上行端口连接主级（上级）总线，bridge 的下行端口连接次级总线。

系统上电后，驱动只能确定 Root Complex 中的 Host/PCI Bridge 与 bus 0 存在。
在这里插入图片描述
Root Complex 中的 Host-PCI Bridge 没有上级总线，只有作为 bus 0 的次级总线。

17. 查找 function 是否存在

因为每一个 function 都有 4KB 的 configuration space。

所以 pcie 驱动通常使用读 Vendor ID 寄存器的方法来发现一个设备。Vendor ID 由 PCI-SIG 分配，并被硬件编码进 Vendor ID 寄存器。

通过组合不同的 bus, device, function，读对应的配置空间 Vendor ID 寄存器，驱动可以查找到系统存在的所有设备。

PCIe 驱动读 Vendor ID 寄存器时，返回 0xFFFF, 即表示当前设备不存在。

（也存在一种情况，设备存在，但未准备好响应配置读请求。）

18. 确定 function 类型：Endpint 或 bridge

标准的 PCIe 枚举处理能够确定一个function 是否为终端或 bridge。

Header Type 位域的低 7 位，可以用于确定 Function 类型：

0 为终端设备；
1 表示 PCI- PCI bridge
2 表示 CardBus Bridge(不再使用)

位域图如下：
在这里插入图片描述

19. 上电枚举示例

首先贴出如下的上电枚举完成后，bus 分配结果图：
在这里插入图片描述
上电启动后，驱动执行枚举：

软件更新 Host-PCI Bridge 的 Secondary Bus Number 寄存器为 0，并设备 Subordinate Bus Number 寄存器为 255.(这是 Root Complex Controller 的内存控制寄存器？操作外设控制器？)
从 bus 0- device 0 - function 0 开始枚举, 尝试读取 Vendor ID, 如果 Vendor ID 存在，那么说明当前 device 存在且包含至少 1 个 function, 如果没有返回有效的 Vendor ID, 那么说明当前设备不存在，因为每一个 device 必须实现 function 0。
bus 0- device 0 - function 0 的配置空间对应 Bridge A 的配置头，Header Type 位域值为 01h, 表示这是一个桥，Header Type 位域 bit7 = 0, 表示这是一个单 function 设备。
驱动的枚举过程查找到了一个 bridge 桥，那么分配总线号：
- Primary Bus Number Register = 0 : 上级总线号为 0 号总线
- Secondary Bus Number Register = 1 : 下级总线号为 1 号总线
- Subordinate Bus Number Register = 255 : 最大活跃下级总线号暂时设置为 255（以便执行一个深度优先的枚举)
驱动必须执行一个深度优先的枚举，所以此时应该优先枚举 bus1 下的设备，而不是 bus 0 的其他设备。
驱动继续枚举 bus 1 - device 0 - function 0, 尝试读取 Vendor ID, 返回 Bridge C 的 Vendor ID，Header Type 位域值为 01h, 表示这是一个桥，Header Type 位域 bit7 = 0, 表示这是一个单 function 设备。
Bridge C 的 Header Type 位域值为 0x01, 表示这是一个 PCI Bridge，Header Type 位域 bit7 = 0, 表示这是一个单 function 设备。
驱动的枚举过程查找到了一个 bridge, 那么分配总线号：
- Primary Bus Number Register = 1 : 上级总线号为 1 号总线
- Secondary Bus Number Register = 2 : 下级总线号为 2 号总线
- Subordinate Bus Number Register = 255 : 最大活跃下级总线号暂时设置为 255（以便执行一个深度优先的枚举)
驱动继续执行一个深度优先的枚举，枚举 bus 2 - device 0 - function 0, 也就是对应 Bridge D.

…

Chapter 4: 地址空间与传输路由

本章描述 Endpoint/Bridge 的 function 通过 BAR 寄存器请求地址空间，驱动必须设置所有 bridge 的 Base/Limit 寄存器来正确路由 TLP。

1. 三种内存地址空间

大多数 PCIE 设备都存在内部寄存器和存储区，意味着 PCIE 设备需要把内部寄存器与存储区映射到 CPU 可寻址的内存地址空间。

PCIE 支持三种内存地址空间：

Configuration Space
Memory Space
I/O Space

2. 配置空间

前面的章节已经说明，配置空间用来控制与检查设备状态，每一个 PCIE 设备的 Function 都有专门的配置空间。

3. Memory 与 I/O 空间

早期的 intel 处理器，通过 I/O 地址空间来访问 I/O 设备的内部寄存器和存储区。

但如今 I/O 设备的寄存器和存储区被映射到内存地址空间，称为 MMIO(内存映射 I/O 设备)。

PCIE 规范也不鼓励使用 I/O 地址空间来映射设备寄存器和存储区。

PCIe 可以支持将内存地址映射到 64bit Mem 空间。

不仅 Endpoint 可以使用 MMIO 来访问，switch 与 Root Complex 也可以使用 MMIO 访问特有的寄存器（Root Complex 也包含 PCI-PCI Bridge）。

4. Prefetchable 与 Non-Prefetchable Mem 空间

Perfetchable Memory 存在下列优良的属性：

读取没有副作用
允许写合并

如果一个内存区域被定义为 Perfetchable，那么该区域的数据被允许提前准备好，以便请求者下一步读取(类似 CPU 的提取预测，用于提升性能)。

问：什么样的内存空间读取存在副作用？

答：内存映射的状态寄存器，如果设计为读清除时，那么读取可能存在副作用。

Pcie 设备内存映射示例：
在这里插入图片描述

5. Base Address Registers (BARs)

每一个 PCIE 设备可能需要映射不同的地址空间类型和大小。

pcie 设备不能决定自身内部寄存器与存储区在内存空间的位置，这应该由系统的 pcie 驱动决定.

因此 pcie 设备需要提供一种方式，供驱动确定设备需要的地址空间类型与大小。

如果可以满足 pcie 设备的地址要求，那么驱动会分配合适的地址类型与大小。

pcie 设备通过 Configuration Header 的 Base Address Registers（BAR）指示 PCIE 驱动应该分配地址类型与大小。

Type 0 Header (Endpoint) 有 6 个 32 位的 BAR 寄存器。

Type 1 Header (Bridge) 有 2 个 32 位的 BAR 寄存器。

Pcie 设备的设计者将 pcie 设备所需要的地址与类型信息硬件编码到 BARs 的低位。

Type 0 Header 拥有 6 个 BAR，那么最多可以为设备分配 6 个不同的地址空间（只要 pcie 设备对 BAR 的低位进行了硬件编码）

如果一个 BAR 寄存器被硬件编码为全 0（写 1 无效），那么表示驱动不需要为当前 BAR 进行内存映射。

BAR 寄存器在 Header 中的位置如下：
在这里插入图片描述
一旦 BAR 被编码，那么可以通过内存映射的形式访问 pcie 设备的寄存器和地址空间。内存访问的地址必须是 BAR 设置的地址范围之内。

6. 32 位内存空间映射请求 - BAR 配置示例

在本例中，PCIe 设备的 function 的 BAR0 请求一个 4KB 的 Non-Prefetchable memory(NP-MMIO) 用于映射本身的寄存器与存储区。

BAR 配置图解如下：
在这里插入图片描述
BAR 配置过程如下：

在上图的（1）中展示了未初始化的 BAR0，BAR0 的低位保存着 pcie 设备设计者硬件编码的内存映射大小与类型。PCIE 驱动首先写全 1 到每一个 BAR 来设置所有的可写位（低位的硬件编码位不受影响）。

写每一个 BAR 寄存器为 1 后，驱动读回 BAR 寄存器, 如上图中的(2)，从 BAR0 开始，来确定 pcie 设备请求的地址空间大小与类型。写全 1 后，最低有效位指示了 pcie 设备需要的内存地址空间（低 4 位不算最低有效位）。

上例中，读回的结果为 0xFFFF F000, 各位域描述如下图：

BAR 位域	描述
bit 0	0 表示请求映射 Mem 空间，1表示请求映射 I/O 空间，本例中，读回为 0
bit[2:1]	00 表示请求映射 32 位 Mem, 10 表示请求映射 64 位 Mem, 本例中，读回为 0b00
bit3	0 表示请求映射 non-prefetchable mem, 1 表示请求映射 prefetchable Mem, 本例中读回为 0
bit[11: 4]	本例中硬件编码为全0，读回为0
bit[31:12]	本例中读回为全1，最低有效位 bit12 = 1, 表示请求映射的内存大小 2^12 = 4KB

最后一步是为当前 BAR 分配合适的地址范围, 如上图中的(3), 本例中 BAR0 地址映射请求被映射到 0xF900_0000 - 0xF900_0FFF。

BAR0 寄存器编码后，一旦驱动使能 Command Register（04h）,pcie 设备会接收内存访问请求。

7. 64位内存空间映射请求 - BAR 配置示例

当 BAR 指示请求映射的内存类型为 64 位内存时，此时使用两个连续的 BAR 被用来支持 64 位地址映射请求。

在本例中， BAR1 与 BAR2 被用来请求 64MB 的 64bit Prefetchable-Memory 用于映射自身的寄存器与存储区.

BAR 配置图解如下：
在这里插入图片描述
BAR 配置过程如下：

上图中，（1）展示了 BAR 未初始化的状态内容，pcie 设备设计者硬件编码了 BAR1 的低位，用来指示请求映射的地址类型与大小。上图中，（2）展示了BAR1 与 BAR2 已被全写为 1 的寄存器内容。

PCIE 驱动读回 BAR1，发现 BAR1 请求 64 bit 地址空间，所以驱动会将 BAR2 作为 64-bit 的高位，并读取 BAR2, 此时 BAR2 的低 4 位不在指示请求映射的地址类型。读回的寄存器位域解释如下：

BAR1/2 位域	描述
BAR1- bit0	读回为 0，指示请求映射 Memory 内存空间
BAR1- bit[2:1]	读回为 0b10, 指示请求的是 64bit Mem, 此时驱动会将 BAR2 会作为 64bit 的高 32 位
BAR1- bit3	读回为 1，指示请求映射的是 prefetchable Mem
BAR1- bit[25:4]	读回为全 0，硬件编码为 0，表示请求映射的内存大小
BAR1- bit[31:26]	读回为全 1，最低有效位为 1，表示请求映射的内存大小为 2^26 = 64MB
BAR2-bit[31:0]	读回为全1，64bit Mem 的高32位

最后一步是驱动分配合适的地址空间类型与大小，并设置 BAR2-BAR1。

BAR 配置完成后，只要驱动使能 Command Register（04h），那么可以进行内存访问。

8. I/O 空间映射请求 - BAR 配置示例

（略, ARM 不需要配置）

9. 所有的 BAR 寄存器必须按顺序配置

如果不存在地址映射请求，那么 BAR 会被硬件编码为全0，也就是写 1 无效。

即使存在一个 BAR 为全0，依然要配置接下来的 BAR，即所有的 BAR 都需要尝试配置，因为 function 设计者可能不会选择 BAR0 作为设备的地址映射请求。

10. Bridge 设备 Header 中的 Base 与 Limit 寄存器

只要 function 的 BARs 被编码，那么 function 就获得使用的地址映射范围。

每一个 bridge 需要知道下游设备的地址映射范围，以便于将上级总线的事务，转发给下级总线。

在 Type 1 Header 中存在 Base 与 Limit 寄存器用于保存下游设备的地址映射范围，也就是 BAR 映射的地址范围.

Bridge 的存在 3 类 Base 与 Limit 寄存器需要设置, 对应三种内存空间：

Prefetchable Mem
Non-Prefetchable Mem
I/O Space

11. Bridge 设备中 Prefetchable Mem Base/Limit 寄存器

Type 1 header 拥有两对 prefetchable memory base/limit register:

Prefetchable Memory Base/Limit registers
Prefetchable Memory Base/Limit registers upper 32 bits

两对 prefetchable memory base/limit register 位置如下图，寄存器值设置为上述（第 7 点）配置的值：在这里插入图片描述
寄存器解释如下：

寄存器	值	描述
Prefetchable Memory Base	0x4001	16位的寄存器，高 12 位用于保存地址映射的 bit[31:20], 低 4 位，为 1 时，表示使用 64 bit Mem，为 0 时表示使用 32位 Mem
Prefetchable Memory Limit	0x43f1	16位的寄存器，高 12 位用于保存地址映射的 bit[31:20], 低 4 位，为 1 时，表示使用 64 bit Mem，为 0 时表示使用 32位 Mem
Prefetchable Memory Base Upper 32 Bits	0x2	32 Bit 寄存器, 保存 64 位地址映射的 bit[63:32]
Prefetchable Memory Limit Upper 32 Bits	0x2	32 Bit 寄存器, 保存 64 位地址映射的 bit[63:32]

(只有 prefetchable 内存支持 64 bit 地址映射)

12. Non-Prefetchable Mem Base/Limit 寄存器

bridge 的不可预取内存映射范围。

type 1 header 只支持 32 位的 Non-Perfetchable Mem.只有一对 16 位的 BASE/Limit 寄存器对用于指示地址范围：

Memory Base
Memory Limit

Memory base/limit register 位置如下图，寄存器值设置为上述（第 6 点）配置的值：在这里插入图片描述
寄存器解释如下：

寄存器	值	描述
(Non‐Prefetchable) Memory Base	0xF900	16 位的寄存器，高 12 位存储不可预取内存地址的 Bit[31:20], 低 4 位固定为 0
(Non‐Prefetchable) Memory Limit	0xF900	16 位的寄存器，高 12 位存储不可预取内存地址的 Bit[31:20], 低 4 位固定为 0

bridge 对于内存的最小配置范围是 1MB ，那么即使下游端点使用不到 1MB，空余的地址范围依旧不允许分配给其他设备。