从零开始讲PCIe（4）——PCI总线的地址空间分配

一、概述

PCI架构支持三种地址空间，如图1-10所示：内存地址空间（Memory Map）、I/O地址空间(I/O Map)和配置地址空间（PCI Configure Space）。在x86处理器中，处理器可以直接访问内存和I/O空间。PCI设备可以映射到处理器的内存地址空间，支持32位或64位内存寻址。在I/O地址空间中，PCI支持32位地址，但由于x86 CPU只使用16位I/O地址空间，许多平台将I/O空间限制为64KB（16位地址的容量）。

此外，PCI引入了第三种地址空间，称为配置空间，该空间只能通过间接方式访问。每个功能包含内部寄存器，用于配置空间的管理。这些寄存器为软件提供了标准化的地址和资源控制，使得PC真正实现了“即插即用”环境。每个PCI功能最多有256字节的配置地址空间。PCI支持每个设备最多8个功能、每条总线最多32个设备、每个系统最多256条总线，因此系统的总配置空间量为：
256 Bytes/function x 8 functions/device x 32 devices/bus x 256 buses/system = 16MB。

由于x86 CPU无法直接访问配置空间，必须通过I/O寄存器间接访问。传统模型中，如图1-10所示，使用位于地址CF8h-CFBh的I/O端口，称为配置地址端口，以及映射到地址CFCh-CFFh的配置数据端口。

需要注意的是，在PCI Express中，引入了一种新的方法，通过将配置空间映射到内存地址空间来访问配置空间，从而简化了访问过程。

二、PCI内存地址空间

内存地址空间是最常用的地址空间之一，PCI设备可以将其资源（如设备寄存器、缓冲区等）映射到处理器的内存地址空间中，使CPU可以通过标准的内存读写指令访问PCI设备。PCI设备可以支持32位或64位内存寻址，这意味着它们可以使用32位或64位地址来映射设备资源。

在这种情况下，PCI设备的内存区域会映射到处理器的内存空间，CPU可以通过访问这些内存地址与PCI设备交互。例如，显卡或网络接口卡（NIC）等设备会将其寄存器或内存缓冲区映射到系统内存地址空间中，CPU可以直接读写这些地址来控制设备或传输数据。

三、PCI I/O地址空间

I/O地址空间是专门为I/O设备保留的空间，用于与外部设备通信。在x86系统中，CPU可以直接访问I/O地址空间，并使用特殊的IN和OUT指令与设备进行交互。PCI支持32位I/O地址空间，但由于x86 CPU的I/O空间通常限制为16位，这导致许多平台上的I/O地址空间被限制为64KB（即16位地址范围）。

I/O空间通常用于较小的外围设备，例如串口、并口等传统设备，它们只需要少量的I/O寄存器。由于I/O空间有限，现代的大多数PCI设备倾向于使用内存映射的方式，而不是依赖于有限的I/O地址空间。

四、PCI配置地址空间

每个PCI功能都有一个256字节的配置空间，用于存储设备的配置信息，如设备ID、供应商ID、状态、命令寄存器等。为了访问这个配置空间，操作系统和驱动程序会通过I/O地址0xCF8~0xCFF与PCI设备进行交互。

2.1 地址和数据寄存器

2.1.1 地址寄存器

0xCF8~0xCFB（地址寄存器）：总共4个字节（32位），用于指定要访问的PCI设备的配置空间的地址。这个地址寄存器会包含PCI总线号、设备号、功能号和配置空间中的寄存器偏移。

第31位：启用位，必须设置为1。
第30~24位：保留，通常为0。
第23~16位：总线号，用于指定哪个PCI总线上的设备。
第15~11位：设备号，用于指定总线上的设备（一个PCI总线上最多可以有32个设备）。
第10~8位：功能号，用于选择设备的不同功能（每个设备最多有8个功能）。
第7~2位：寄存器号，指定配置空间中的寄存器（以4字节为单位，每个寄存器占用4个字节）。
第1~0位：保留位，必须为0。

2.1.2 数据寄存器

0xCFC~0xCFF（数据寄存器）：同样是4个字节（32位），用于读取或写入之前通过地址寄存器指定的PCI配置空间的数据。用于读取或写入通过地址寄存器（0xCF8）指定的PCI配置空间数据。读取或写入时，数据会被放置到这里。

虽然在0xCF8~0xCFF范围内确实只有4个字节用作地址寄存器和4个字节用作数据寄存器，但它们是用于与设备的整个PCI配置空间交互的“窗口”，通过改变地址寄存器中的内容，可以访问PCI设备的256字节配置空间的任何部分。

2.2 工作机制

由于I/O地址空间有限，传统模型在使用地址时非常保守。常见的做法是使用两个寄存器：一个用于指向设备内部的位置，另一个用于读取或写入数据。在PCI配置过程中，这涉及到两个步骤：

第一步：通过I/O写入配置地址

CPU生成一次I/O写操作，将数据写入北桥的地址端口（I/O地址CF8h），以提供要访问的配置寄存器地址。这个地址包含三个主要部分，用于在PCI拓扑中定位特定的PCI功能（function）：除此之外，还需要指定要访问该功能的配置空间中的哪一个64个双字（256字节）寄存器。

总线号（Bus Number）：用于访问256条可能的总线中的一条。
设备号（Device Number）：用于选择该总线上32个设备中的一个。
功能号（Function Number）：用于选择该设备中的8个功能中的一个。

第二步：通过I/O读或写访问数据

CPU生成一个I/O读或I/O写操作，指向北桥的数据端口（I/O地址CFCh）。根据这一操作，北桥将生成一个配置读取或配置写入事务，发送到在地址端口中指定的PCI总线上。

这种两步访问方法允许CPU通过I/O地址空间与PCI设备的配置空间进行交互。虽然I/O地址空间有限，但通过这种机制，系统可以有效地管理和配置多达256条总线、每条总线32个设备、每个设备最多8个功能的复杂系统。

2.3 举例说明

假设我们要读取PCI总线0上的设备5的功能0的供应商ID（Vendor ID），它位于配置空间的偏移地址0x00~0x01。

2.3.1 计算地址寄存器的值

根据PCI配置空间的地址格式，我们需要构造要写入0xCF8的地址：

将这些位组合起来，我们得到地址寄存器的值为：

启用位：第31位 = 1
总线号：总线0，所以第23~16位 = 0x00
设备号：设备5，所以第15~11位 = 0x05
功能号：功能0，所以第10~8位 = 0x00
寄存器号：我们要读取供应商ID，它在寄存器偏移0x00，所以第7~2位 = 0x00
保留位：第1~0位 = 0

0x80000000 | (0x00 << 16) | (0x05 << 11) | (0x00 << 8) | (0x00 << 2) = 0x80002000

2.3.2 向地址寄存器写入地址

使用outl指令将0x80002000写入0xCF8，指定要访问的PCI设备地址：

outl(0x80002000, 0xCF8);

2.3.3 从数据寄存器读取数据

供应商ID占用配置空间的前两个字节，因此我们可以从0xCFC读取前两字节：

uint16_t vendor_id = inl(0xCFC) & 0xFFFF;

这个操作会从PCI配置空间的偏移地址0x00读取4字节数据，但我们只需要前两字节，所以我们通过& 0xFFFF只获取低16位，这就是供应商ID。

假设读取到的数据是0x8086，那么供应商ID就是0x8086，这表明该设备由Intel制造，因为0x8086是Intel的供应商ID。

2.4 总结

通过上述操作，我们成功从PCI总线0、设备5、功能0的配置空间读取了供应商ID。类似地，我们可以访问其他配置空间寄存器，比如设备ID、命令寄存器等。每次访问不同的寄存器时，只需调整地址寄存器中的寄存器号和其他位。

这个机制使得操作系统和驱动程序能够方便地与PCI设备交互，从而进行设备初始化、配置和控制。

五、PCI Function配置寄存器空间

每个PCI功能包含最多256字节的配置空间。在这256字节中，前64字节包含一个称为Header的结构体，而剩下的192字节用于支持可选功能。系统的配置首先由Boot ROM固件完成。当操作系统加载后，它可能会重新配置系统并重新分配资源，因此系统配置过程可能会被执行两次。

根据Header类型的不同，PCI功能可以分为两大类：

Type 1 Header：用于标识一个桥接设备（bridge），这种功能创建了拓扑中的另一条总线，如图1-12所示。
Type 0 Header：用于标识一个非桥接设备（non-bridge function），如图1-13所示。

这种Header类型信息存储在dword 3的字节2中，是软件在系统中发现功能时（即进行枚举的过程）首先要检查的字段之一。枚举过程帮助操作系统或固件识别系统中存在的所有PCI功能，并根据其类型进行进一步的资源分配和管理。

通过这种区分，系统可以识别出哪些设备是普通的I/O设备，哪些设备是桥接器，从而构建完整的总线拓扑结构并有效地进行设备配置。