【PCIe 总线及设备入门学习专栏 1.1 -- PCI 设备访问方法】

CPU 地址空间与PCI 地址空间

PCI 地址空间

PCI总线具有32位数据/地址复用总线，所以其存储地址空间为2的32次方=4GB。也就是PCI上的所有设备共同映射到这4GB上，每个PCI设备占用唯一的一段PCI地址，以便于PCI总线统一寻址。每个PCI设备通过PCI寄存器中的基地址寄存器来指定映射的首地址。PCI地址空间对应于计算机系统结构中的PCI总线。

CPU 地址空间

如果处理器具有32位的地址总线，其理论可寻址空间为2的32次方=4GB。在不同的物理位置上存在着不同设备，不同的设备又各自具有存储器，那么CPU如何访问这些存储器呢？CPU把系统中各个设备的存储空间映射到一个统一的存储空间上，称为系统存储空间共4GB，这样CPU就可以访问到所有的存储器。比如PCI存储器映射到从0xFFF80000开始的地址空间，显卡映射到0XFFF00000。

Host Bridge

PCI 地址空间和CPU地址空间的范围都是0x00000000—0xFFFFFFFF。主机端只能发起/响应CPU地址空间的地址访问操作，PCI设备也只能发起/响应对于PCI地址空间的访问请求，因此，在PCI地址空间和CPU地址空间之间就存在一层映射关系，如下图所示。

当CPU需要访问PCI地址空间 0xF0000000—0xFFFFFFFF这段地址时，根据图2中的映射关系，CPU需要发出对0x90000000—0x9FFFFFFF这段地址空间中相应地址的访问请求。当CPU发出对0xF0000008地址的访问请求时，实际访问的则是CPU地址空间的0xF0000008地址，并不能访问到PCI地址空间的0xF0000008地址。只有当CPU发出对0x90000008地址的访问请求时，才能真正访问到PCI地址空间的0xF0000008地址。反之亦然，当PCI设备需要访问CPU地址空间0x00000000—0x7FFFFFFF这段地址时，PCI设备实际发出的是对PCI地址空间0x30000000—0xAFFFFFFF这段地址空间的访问操作。

由于在CPU地址空间和PCI地址空间需要进行地址映射，因此就需要一个具有地址转换功能的角色，该角色就是PCI的HOST主桥。以CPU访问PCI设备为例，当CPU需要发起对某一个PCI设备的访问时，会发出对相应CPU地址空间的访问请求，然后由HOST主桥将该CPU地址空间转换为对应的PCI地址空间，然后再由对应的PCI设备对该访问请求进行响应。因此，任何一个PCI设备只有在CPU地址空间具有相应的映像地址时，才能被CPU所访问。

由以上分析可知，HOST主桥负责隔离CPU地址空间和PCI地址空间，并完成CPU与PCI设备之间的地址映射和数据交换。

PCI 设备连接框图

CPU 发出的地址位于CPU的地址空间，CPU 发出的某个地址有可能是访问内存的或者是访问某个其它模块的，也有可能是访问某个PCI 设备的，CPU 发出的地址范围不一样，它访问到的外设就不一样。假设CPU 发出一个访问PCI 设备的地址 Address0, 那么 CPU 下面连接着的 Bridge 会把 CPU 发出来的地址转换为 PCI_Address, PCI_Address 地址通过 PCI 总线会到达各个设备，那么，那么多设备，谁来相应PCI_Address 这个地址呢？

• 首先，驱动程序初始化的时候会去扫描 PCI 设备，获取PCI设备需要的地址空间大小，比如 设备 LAN 需要 1K的空间， SCSI 需要1M的空间，所以需要首先确认每个设备需要多大范围的空间。具体就是读PCI设备配置空间的寄存器，就可以知道该设备属于哪类设备、该设备要申请的资源(要申请多大的空间）。
• 然后，驱动程序要把 PCI 地址空间中的某一块地址分配给这些设备，所谓分配地址空间给某个设备，就是从从PCI 地址空间中划出一段，表示以后如果要访问这块地址空间时，就是访问这个设备。具体操作就是分配地址范围，然后将地址范围写回到配置空间中的寄存器中。

PCI 硬件信号

从图中可以看到有 AD 信号，也即地址和数据复用信号，一共是32条线，上面传输的时地址或者是数据，那么如何区分AD上传输的时地址信号还是数据信号呢？ 答案就是通过 FRAM信号，在FRAM信号为低的时候，在第一个时钟时，AD 总线上传输的就是地址信号，在后续的时钟里传输就是Data。

那么就有个问题：一开始的时候，PCI 总线上的各个设备还没有地址空间，它们也不知道在PCI 总线传输的信号时访问谁的，那么如何去选中某个PCI 设备呢？

从上图中可以看到有个 IDSEL 引脚，它的作用就是配置设备时用来选中某个PCI 设备的，我们顺便看下PCI其他引脚的作用。

我们继续看下如何选中某个PCI 设备的，如下图所示：

在 PCI bus0 上挂有3个设备，第2个设备也是个PCI 桥，它的线面就是BUS1, 在BUS1 下面有第4个设备和第5个设备，刚开始的这个5个设备都没有配置，那么如何去选中某个设备，就是通过图中的 IDSEL信号来选中。比如对于设备1 它的 IDSEL 肯定是某一个信号，同样对于设备2，它的IDSEL肯定是另外一个信号，到底是通过哪个引脚来选中这个设备，不同的 Root Bridge 有不同的设计，比如可以设计成功过 AD31 信号来选中 PCI 设备1，通过 AD30 来选中设备2，当然也可以通过其他引脚来单独选中PCI设备1。再比如可以通过 BUS1中的AD31来选中PCI 设备4，使用总线BUS1中的AD30来选中PCI 设备5.

下图是type0 配置空间的头部信息。

通过 IDSEL 来选中某个 PCI设备，然后去读取它的配置寄存器，去设置它的配置寄存器，每个设备都有245字节的配置寄存器。此外每个设备可能有多种功能，每个PCI设备最多可以有八种功能，对于每种功能它都有256字节的配置寄存器，那么前面提到了通过 IDSEL 可以选择某个设备，那么怎选择设备中的某个功能呢？ 怎么选择配置空间中某一个寄存器？

Configuration Commands

如上图所示 Type0 就是用来访问一般的PCI设备，Type1 用来访问桥后面的设备，紧着这再看时序图：

通过上面图 3-1 和图 3-4 我们就可以知道如何访问配置空间：

• 首先通过 IDSEL 来选中某个 PCI 设备；
• 如果想选中设备中的某个功能某个寄存器，就通过 ADDRESS，在 AD[31-0] 这32条信号线上指定功能function，指定寄存器 REG，如第一个图中的 Type0 的 bit[10:8] 可以用来指定function，bit[7:2] 可以用来选中 寄存器。 在FRAM 信号为底的时候，在第一个时钟 FRAM有效(低电平)，这个时候 AD上传输的就是 address, 后续的时钟传输就是data；
• 通过 C/BE（Command/Byte Enable） 信号来判断是读还是写： 如果是读写配置空间，那么 C/BE 的4个信号传输的值应该是 0b1010 或者 0b1011。当设备配置好之后，可以通过 I/O Read 或者 IO Write 来访问它，也可以通过memory read 或者 memory write 来访问它。

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