PCIe 基础(一)操作配置空间

PCI配置空间

PCI有三种地址空间：I/O空间，内存地址空间，PCI配置空间。在启动时bootloader或者内核会遍历PCI总线并分配资源，如中断和内存，设备驱动程序通过PCI配置空间找到资源分配。大小为256字节。
配置空间图：

(1) Device ID和Vendor ID寄存器
这两个寄存器的值由PCISIG分配，只读。其中Vendor ID代表PCI设备的生产厂商，而Device ID代表这个厂商所生产的具体设备。如Intel公司的基于82571EB芯片的系列网卡，其Vendor ID为0x8086[1]，而Device ID为0x105E[2]。
(2) Revision ID和Class Code寄存器这两个寄存器只读。其中Revision ID寄存器记载PCI设备的版本号。该寄存器可以被认为是Device ID寄存器的扩展。
(3) Header Type寄存器
该寄存器只读，由8位组成。第7位为1表示当前PCI设备是多功能设备，为0表示为单功能设备。第6~0位表示当前配置空间的类型，为0表示该设备使用PCI Agent设备的配置空间，普通PCI设备都使用这种配置头；为1表示使用PCI桥的配置空间，PCI桥使用这种配置头；为2表示使用Cardbus桥片的配置空间，Card Bus桥片使用这种配置头，本篇对这类配置头不感兴趣。系统软件需要使用该寄存器区分不同类型的PCI配置空间，该寄存器的初始化必须与PCI设备的实际情况对应，而且必须为一个合法值。
(4) Subsystem ID和Subsystem Vendor ID寄存器
这两个寄存器和Device ID和Vendor ID类似，也是记录PCI设备的生产厂商和设备名称。但是这两个寄存器和Device ID与Vendor ID寄存器略有不同。下文以一个实例说明Subsystem ID和Subsystem Vendor ID的用途。Xilinx公司在FGPA中集成了一个PCIe总线接口的IP核，即LogiCORE。用户可以使用LogiCORE设计各种各样基于PCIe总线的设备，但是这些设备的Device ID都是0x10EE，而VendorID为0x0007[3]。
(6) Expansion ROM base address寄存器
有些PCI设备在处理器还没有运行操作系统之前，就需要完成基本的初始化设置，比如显卡、键盘和硬盘等设备。为了实现这个“预先执行”功能，PCI设备需要提供一段ROM程序，而处理器在初始化过程中将运行这段ROM程序，初始化这些PCI设备。Expansion ROM base address记载这段ROM程序的基地址。
(7) Capabilities Pointer寄存器
在PCI设备中，该寄存器是可选的，但是在PCI-X和PCIe设备中必须支持这个寄存器，Capabilities Pointer寄存器存放Capabilities寄存器组的基地址，PCI设备使用Capabilities寄存器组存放一些与PCI设备相关的扩展配置信息。
(8) Interrupt Line寄存器
这个寄存器是系统软件对PCI设备进行配置时写入的，该寄存器记录当前PCI设备使用的中断向量号，设备驱动程序可以通过这个寄存器，判断当前PCI设备使用处理器系统中的哪个中断向量号，并将驱动程序的中断服务例程注册到操作系统中[4]。该寄存器由系统软件初始化，其保存的值与8259A中断控制器相关，该寄存器的值也是由PCI设备与8259A中断控制器的连接关系决定的。如果在一个处理器系统中，没有使用8259A中断控制器管理PCI设备的中断，则该寄存器中的数据并没有意义。在多数PowerPC处理器系统中，并不使用8259A中断控制器管理PCI设备的中断请求，因此该寄存器没有意义。即使在x86处理器系统中，如果使用I/OAPIC中断控制器，该寄存器保存的内容仍然无效。目前在绝大多数处理器系统中，并没有使用该寄存器存放PCI设备使用的中断向量号。
(9) Interrupt Pin寄存器
这个寄存器保存PCI设备使用的中断引脚，PCI总线提供了四个中断引脚INTA#、INTB#、INTC#和INTD#。Interrupt Pin寄存器为1时表示使用INTA#引脚向中断控制器提交中断请求，为2表示使用INTB#，为3表示使用INTC#，为4表示使用INTD#。如果PCI设备只有一个子设备时，该设备只能使用INTA#；如果有多个子设备时，可以使用INTB~D#信号。如果PCI设备不使用这些中断引脚，向处理器提交中断请求时，该寄存器的值必须为0。值得注意的是，虽然在PCIe设备中并不含有INTA~D#信号，但是依然可以使用该寄存器，因为PCIe设备可以使用INTx中断消息，模拟PCI设备的INTA~D#信号，详见第6.3.4节。
(10) Base Address Register 0~5寄存器
该组寄存器简称为BAR寄存器，BAR寄存器保存PCI设备使用的地址空间的基地址，该基地址保存的是该设备在PCI总线域中的地址。其中每一个设备最多可以有6个基址空间，但多数设备不会使用这么多组地址空间。在PCI设备复位之后，该寄存器将存放PCI设备需要使用的基址空间大小，这段空间是I/O空间还是存储器空间[5]，如果是存储器空间该空间是否可预取，系统软件对PCI总线进行配置时，首先获得BAR寄存器中的初始化信息，之后根据处理器系统的配置，将合理的基地址写入相应的BAR寄存器中。系统软件还可以使用该寄存器，获得PCI设备使用的BAR空间的长度，其方法是向BAR寄存器写入0xFFFF-FFFF，之后再读取该寄存器。
处理器访问PCI设备的BAR空间时，需要使用BAR寄存器提供的基地址。值得注意的是，处理器使用存储器域的地址，而BAR寄存器存放PCI总线域的地址。因此处理器系统并不能直接使用“BAR寄存器+偏移”的方式访问PCI设备的寄存器空间，而需要将PCI总线域的地址转换为存储器域的地址。如果x86处理器系统使能了IOMMU后，这两个地址也并不一定相等，因此处理器系统直接使用这个PCI总线域的物理地址，并不能确保访问PCI设备的BAR空间的正确性。除此之外在Linux系统中，ioremap函数的输入参数为存储器域的物理地址，而不能使用PCI总线域的物理地址。而在pci_devàresource[bar].start参数中保存的地址已经经过PCI总线域到存储器域的地址转换，因此在编写Linux系统的设备驱动程序时，需要使用pci_devàresource[bar].start参数中的物理地址，然后再经过ioremap函数将物理地址转换为“存储器域”的虚拟地址。
(11) Command寄存器
该寄存器为PCI设备的命令寄存器，该寄存器在初始化时，其值为0，此时这个PCI设备除了能够接收配置请求总线事务之外，不能接收任何存储器或者I/O请求。系统软件需要合理设置该寄存器之后，才能访问该设备的存储器或者I/O空间。在Linux系统中，设备驱动程序调用pci_enable_device函数，使能该寄存器的I/O和Memory Space位之后，才能访问该设备的存储器或者I/O地址空间。
(12) Status寄存器
该寄存器的绝大多数位都是只读位，保存PCI设备的状态。

linux API

//访问配置空间
int pci_read_config_[byte|word|dword](struct pci_dev *dev, int where, u8 *val)
int pci_write_config_[byte|word|dword](struct pci_dev *dev, int where, u8 *val)
//eg 获取分配给某PCI卡的中断号
u8 irq;
pci_read_config_byte(pdev,PCI_INTERRUPT_LINE,&irq)

//I/O/内存空间操作
unsigned long pci_resource_[start|len|end|flag](pdev,int bar)
eg 操作某PCI卡的控制寄存器，映射到BAR0
unsigned long mmio_base   = pci_resource_start(pdev, bar); 
unsigned long mmio_length = pci_resource_length(pdev, bar);
unsigned long mmio_flags  = pci_resource_flags(pdev, bar); 

void __iomem *buffer; 
if (flags & IORESOURCE_CACHEABLE) { 
  buffer = ioremap(mmio_base, mmio_length); 
} else { 
  buffer = ioremap_nocache(mmio_base, mmio_length); 
}