2.3 PCI橋與PCI設備的配置空間

PCI設備都有獨立的配置空間，HOST主橋通過配置讀寫總線事務訪問這段空間。PCI總線規定了三種類型的PCI配置空間，分別是PCI Agent設備使用的配置空間，PCI橋使用的配置空間和Cardbus橋片使用的配置空間。

本節重點介紹PCI Agent和PCI橋使用的配置空間，而並不介紹Cardbus橋片使用的配置空間。值得注意的是，在PCI設備配置空間中出現的地址都是PCI總線地址，屬於PCI總線域地址空間。

2.3.1 PCI橋

PCI橋的引入使PCI總線極具擴展性，也極大地增加了PCI總線的複雜度。PCI總線的電氣特性決定了在一條PCI總線上掛接的負載有限，當PCI總線需要連接多個PCI設備時，需要使用PCI橋進行總線擴展，擴展出的PCI總線可以連接其他PCI設備，包括PCI橋。在一顆PCI總線樹上，最多可以掛接256個PCI設備，包括PCI橋。PCI橋在PCI總線樹中的位置如圖2?8所示。

 

PCI橋作為一個特殊的PCI設備，具有獨立的配置空間。但是PCI橋配置空間的定義與PCI Agent設備有所不同。PCI橋的配置空間可以管理其下PCI總線子樹的PCI設備，並可以優化這些PCI設備通過PCI橋的數據訪問。PCI橋的配置空間在係統軟件遍曆PCI總線樹時配置，係統軟件不需要專門的驅動程序設置PCI橋的使用方法，這也是PCI橋被稱為透明橋的主要原因。

在某些處理器係統中，還有一類PCI橋，叫做非透明橋。非透明橋不是PCI總線定義的標準橋片，但是在使用PCI總線掛接另外一個處理器係統時非常有用，非透明橋片的主要作用是連接兩個不同的PCI總線域，進而連接兩個處理器係統，本章將在第2.5節中詳細介紹PCI非透明橋。

使用PCI橋可以擴展出新的PCI總線，在這條PCI總線上還可以繼續掛接多個PCI設備。PCI橋跨接在兩個PCI總線之間，其中距離HOST主橋較近的PCI總線被稱為該橋片上遊總線(Primary Bus)，距離HOST主橋較遠的PCI總線被稱為該橋片的下遊總線(Secondary Bus)。如圖2?8所示，PCI橋1的上遊總線為PCI總線x0，而PCI橋1的下遊總線為PCI總線x1。這兩條總線間的數據通信需要通過PCI橋1。

通過PCI橋連接的PCI總線屬於同一個PCI總線域，在圖2?8中，PCI橋1、2和3連接的PCI總線都屬於PCI總線x域。在這些PCI總線域上的設備可以通過PCI橋直接進行數據交換而不需要進行地址轉換；而分屬不同PCI總線域的設備間的通信需要進行地址轉換，如與PCI非透明橋兩端連接的設備之間的通信。

如圖2?8所示，每一個PCI總線的下方都可以掛接一個到多個PCI橋，每一個PCI橋都可以推出一條新的PCI總線。在同一條PCI總線上的設備之間的數據交換不會影響其他PCI總線。如PCI設備21與PCI設備22之間的數據通信僅占用PCI總線x2的帶寬，而不會影響PCI總線x0、x1與x3，這也是引入PCI橋的另一個重要原因。

由圖2?8我們還可以發現PCI總線可以通過PCI橋組成一個胖樹結構，其中每一個橋片都是父節點，而PCI Agent設備隻能是子節點。當PCI橋出現故障時，其下的設備不能將數據傳遞給上遊總線，但是並不影響PCI橋下遊設備間的通信。當PCI橋1出現故障時，PCI設備11、PCI設備21和PCI設備22將不能與PCI設備01和存儲器進行通信，但是PCI設備21和PCI設備22之間的通信可以正常進行。

使用PCI橋可以擴展一條新的PCI總線，但是不能擴展新的PCI總線域。如果當前係統使用32位的PCI總線地址，那麼這個係統的PCI總線域的地址空間為4GB大小，在這個總線域上的所有設備將共享這個4GB大小的空間。如在PCI總線x域上的PCI橋1、PCI設備01、PCI設備11、PCI橋2、PCI設備21和PCI設備22等都將共享一個4GB大小的空間。再次強調這個4GB空間是PCI總線x域的“PCI總線地址空間”，和存儲器域地址空間和PCI總線y域沒有直接聯係。

處理器係統可以通過HOST主橋擴展出新的PCI總線域，如MPC8548處理器的HOST主橋x和y可以擴展出兩個PCI總線域x和y。這兩個PCI總線域x和y之間的PCI空間在正常情況下不能直接進行數據交換，但是PowerPC處理器可以通過設置PIWARn寄存器的TGI字段使得不同PCI總線域的設備直接通信，詳見第2.2.3節。

許多處理器係統使用的PCI設備較少，因而並不需要使用PCI橋。因此在這些處理器係統中，PCI設備都是直接掛接在HOST主橋上，而不需要使用PCI橋擴展新的PCI總線。即便如此讀者也需要深入理解PCI橋的知識。

PCI橋對於理解PCI和PCIe總線都非常重要。在PCIe總線中，雖然在物理結構上並不含有PCI橋，但是與PCI橋相關的知識在PCIe總線中無處不在，比如在PCIe總線的Switch中，每一個端口都與一個虛擬PCI橋對應，Switch使用這個虛擬PCI橋管理其下PCI總線子樹的地址空間。

2.3.2 PCI Agent設備的配置空間

在一個具體的處理器應用中，PCI設備通常將PCI配置信息存放在E²PROM中。PCI設備進行上電初始化時，將E²PROM中的信息讀到PCI設備的配置空間中作為初始值。這個過程由硬件邏輯完成，絕大多數PCI設備使用這種方式初始化其配置空間。

讀者可能會對這種機製產生一個疑問，如果係統軟件在PCI設備將E²PROM中的信息讀到配置空間之前，就開始操作配置空間，會不會帶來問題？因為此時PCI設備的初始值並不“正確”，僅僅是PCI設備使用的複位值。

讀者的這種擔心是多餘的，因為PCI設備在配置寄存器沒有初始化完畢之前，即E²PROM中的內容沒有導入PCI設備的配置空間之前，可以使用PCI總線規定的“Retry”周期使HOST主橋在合適的時機重新發起配置讀寫請求。

在x86處理器中，係統軟件使用CONFIG_ADDR和CONFIG_DATA寄存器，讀取PCI設備配置空間的這些初始化信息，然後根據處理器係統的實際情況使用DFS算法，初始化處理器係統中所有PCI設備的配置空間。

在PCI Agent設備的配置空間中包含了許多寄存器，這些寄存器決定了該設備在PCI總線中的使用方法，本節不會全部介紹這些寄存器，因為係統軟件隻對部分配置寄存器感興趣。PCI Agent設備使用的配置空間如圖2?9所示。

   在PCI Agent設備配置空間中包含的寄存器如下所示。

(1)      Device ID和Vendor ID寄存器

這兩個寄存器的值由PCISIG分配，隻讀。其中Vendor ID代表PCI設備的生產廠商，而Device ID代表這個廠商所生產的具體設備。如Intel公司的基於82571EB芯片的係列網卡，其Vendor ID為0x8086，而Device ID為0x105E。

(2)      Revision ID和Class Code寄存器

這兩個寄存器隻讀。其中Revision ID寄存器記載PCI設備的版本號。該寄存器可以被認為是Device ID寄存器的擴展。

(3)      Header Type寄存器

該寄存器隻讀，由8位組成。

• 第7位為1表示當前PCI設備是多功能設備，為0表示為單功能設備。
• 第6~0位表示當前配置空間的類型，為0表示該設備使用PCI Agent設備的配置空間，普通PCI設備都使用這種配置頭；為1表示使用PCI橋的配置空間，PCI橋使用這種配置頭；為2表示使用Cardbus橋片的配置空間，Card Bus橋片使用這種配置頭，本篇對這類配置頭不感興趣。

係統軟件需要使用該寄存器區分不同類型的PCI配置空間，該寄存器的初始化必須與PCI設備的實際情況對應，而且必須為一個合法值。

(4)      Cache Line Size寄存器

該寄存器記錄HOST處理器使用的Cache行長度。在PCI總線中和Cache相關的總線事務，如存儲器寫並無效和Cache多行讀等總線事務需要使用這個寄存器。值得注意的是，該寄存器由係統軟件設置，但是在PCI設備的運行過程中，隻有其硬件邏輯才會使用該寄存器，比如PCI設備的硬件邏輯需要得知處理器係統Cache行的大小，才能進行存儲器寫並無效總線事務，單行讀和多行讀總線事務。

如果PCI設備不支持與Cache相關的總線事務，係統軟件可以不設置該寄存器，此時該寄存器為初始值0x00。對於PCIe設備，該寄存器的值無意義，因為PCIe設備在進行數據傳送時，在其報文中含有一次數據傳送的大小，PCIe總線控製器可以使用這個“大小”，判斷數據區域與Cache行的對應關係。

(5)      Subsystem ID和Subsystem Vendor ID寄存器

這兩個寄存器和Device ID和Vendor ID類似，也是記錄PCI設備的生產廠商和設備名稱。但是這兩個寄存器和Device ID與Vendor ID寄存器略有不同。下文以一個實例說明Subsystem ID和Subsystem Vendor ID的用途。

Xilinx公司在FGPA中集成了一個PCIe總線接口的IP核，即LogiCORE。用戶可以使用LogiCORE設計各種各樣基於PCIe總線的設備，但是這些設備的Device ID都是0x10EE，而Vendor ID為0x0007。

(6)      Expansion ROM base address寄存器

有些PCI設備在處理器還沒有運行操作係統之前，就需要完成基本的初始化設置，比如顯卡、鍵盤和硬盤等設備。為了實現這個“預先執行”功能，PCI設備需要提供一段ROM程序，而處理器在初始化過程中將運行這段ROM程序，初始化這些PCI設備。Expansion ROM base address記載這段ROM程序的基地址。

(7)      Capabilities Pointer寄存器

在PCI設備中，該寄存器是可選的，但是在PCI-X和PCIe設備中必須支持這個寄存器，Capabilities Pointer寄存器存放Capabilities寄存器組的基地址，PCI設備使用Capabilities寄存器組存放一些與PCI設備相關的擴展配置信息。該組寄存器的詳細說明見第4.3節。

(8)      Interrupt Line寄存器

這個寄存器是係統軟件對PCI設備進行配置時寫入的，該寄存器記錄當前PCI設備使用的中斷向量號，設備驅動程序可以通過這個寄存器，判斷當前PCI設備使用處理器係統中的哪個中斷向量號，並將驅動程序的中斷服務例程注冊到操作係統中。

該寄存器由係統軟件初始化，其保存的值與8259A中斷控製器相關，該寄存器的值也是由PCI設備與8259A中斷控製器的連接關係決定的。如果在一個處理器係統中，沒有使用8259A中斷控製器管理PCI設備的中斷，則該寄存器中的數據並沒有意義。

在多數PowerPC處理器係統中，並不使用8259A中斷控製器管理PCI設備的中斷請求，因此該寄存器沒有意義。即使在x86處理器係統中，如果使用I/O APIC中斷控製器，該寄存器保存的內容仍然無效。目前在絕大多數處理器係統中，並沒有使用該寄存器存放PCI設備使用的中斷向量號。

(9)      Interrupt Pin寄存器

這個寄存器保存PCI設備使用的中斷引腳，PCI總線提供了四個中斷引腳INTA#、INTB#、INTC#和INTD#。Interrupt Pin寄存器為1時表示使用INTA#引腳向中斷控製器提交中斷請求，為2表示使用INTB#，為3表示使用INTC#，為4表示使用INTD#。

如果PCI設備隻有一個子設備時，該設備隻能使用INTA#；如果有多個子設備時，可以使用INTB~D#信號。如果PCI設備不使用這些中斷引腳，向處理器提交中斷請求時，該寄存器的值必須為0。值得注意的是，雖然在PCIe設備中並不含有INTA~D#信號，但是依然可以使用該寄存器，因為PCIe設備可以使用INTx中斷消息，模擬PCI設備的INTA~D#信號，詳見第6.3.4節。

(10)  Base Address Register 0~5寄存器

該組寄存器簡稱為BAR寄存器，BAR寄存器保存PCI設備使用的地址空間的基地址，該基地址保存的是該設備在PCI總線域中的地址。其中每一個設備最多可以有6個基址空間，但多數設備不會使用這麼多組地址空間。

在PCI設備複位之後，該寄存器將存放PCI設備需要使用的基址空間大小，這段空間是I/O空間還是存儲器空間，如果是存儲器空間該空間是否可預取，有關PCI總線預讀機製的詳細說明見第3.4.5節。

係統軟件對PCI總線進行配置時，首先獲得BAR寄存器中的初始化信息，之後根據處理器係統的配置，將合理的基地址寫入相應的BAR寄存器中。係統軟件還可以使用該寄存器，獲得PCI設備使用的BAR空間的長度，其方法是向BAR寄存器寫入0xFFFF-FFFF，之後再讀取該寄存器。

處理器訪問PCI設備的BAR空間時，需要使用BAR寄存器提供的基地址。值得注意的是，處理器使用存儲器域的地址，而BAR寄存器存放PCI總線域的地址。因此處理器係統並不能直接使用“BAR寄存器+偏移”的方式訪問PCI設備的寄存器空間，而需要將PCI總線域的地址轉換為存儲器域的地址。

如果x86處理器係統使能了IOMMU後，這兩個地址也並不一定相等，因此處理器係統直接使用這個PCI總線域的物理地址，並不能確保訪問PCI設備的BAR空間的正確性。除此之外在Linux係統中，ioremap函數的輸入參數為存儲器域的物理地址，而不能使用PCI總線域的物理地址。

而在pci_devàresource[bar].start參數中保存的地址已經經過PCI總線域到存儲器域的地址轉換，因此在編寫Linux係統的設備驅動程序時，需要使用pci_devàresource[bar].start參數中的物理地址，然後再經過ioremap函數將物理地址轉換為“存儲器域”的虛擬地址。

(11)  Command寄存器

該寄存器為PCI設備的命令寄存器，該寄存器在初始化時，其值為0，此時這個PCI設備除了能夠接收配置請求總線事務之外，不能接收任何存儲器或者I/O請求。係統軟件需要合理設置該寄存器之後，才能訪問該設備的存儲器或者I/O空間。在Linux係統中，設備驅動程序調用pci_enable_device函數，使能該寄存器的I/O和Memory Space位之後，才能訪問該設備的存儲器或者I/O地址空間。

(12)  Status寄存器

該寄存器的絕大多數位都是隻讀位，保存PCI設備的狀態。

(13)  Latency Timer寄存器

在PCI總線中，多個設備共享同一條總線帶寬。該寄存器用來控製PCI設備占用PCI總線的時間，當PCI設備獲得總線使用權，並使能Frame#信號後，Latency Timer寄存器將遞減，當該寄存器歸零後，該設備將使用超時機製停止對當前總線的使用。

如果當前總線事務為Memeory Write and Invalidate時，需要保證對一個完整Cache行的操作結束後才能停止當前總線事務。對於多數PCI設備而言，該寄存器的值為32或者64，以保證一次突發傳送的基本單位為一個Cache行。

PCIe設備不需要使用該寄存器，該寄存器的值必須為0。因為PCIe總線的仲裁方法與PCI總線不同，使用的連接方法也與PCI總線不同。

2.3.3 PCI橋的配置空間

PCI橋使用的配置空間的寄存器如圖2?10所示。PCI橋作為一個PCI設備，使用的許多配置寄存器與PCI Agent的寄存器是類似的，如Device ID、Vendor ID、Status、Command、Interrupt Pin、Interrupt Line寄存器等，本節不再重複介紹這些寄存器。下文將重點介紹在PCI橋中與PCI Agent的配置空間不相同的寄存器。

    與PCI Agent設備不同，在PCI橋中隻含有兩組BAR寄存器，Base Address Register 0~1寄存器。這兩組寄存器與PCI Agent設備配置空間的對應寄存器的含義一致。但是在PCI橋中，這兩個寄存器是可選的。如果在PCI橋中不存在私有寄存器，那麼可以不使用這組寄存器設置BAR空間。

在大多數PCI橋中都不存在私有寄存器，操作係統也不需要為PCI橋提供專門的驅動程序，這也是這類橋被稱為透明橋的原因。如果在PCI橋中不存在私有空間時，PCI橋將這兩個BAR寄存器初始化為0。在PCI橋的配置空間中使用兩個BAR寄存器的目的是這兩個32位的寄存器可以組成一個64位地址空間。

在PCI橋的配置空間中，有許多寄存器是PCI橋所特有的。PCI橋除了作為PCI設備之外，還需要管理其下連接的PCI總線子樹使用的各類資源，即Secondary Bus所連接PCI總線子樹使用的資源。這些資源包括存儲器、I/O地址空間和總線號。

在PCI橋中，與Secondary bus相關的寄存器包括兩大類。一類寄存器管理Secondary Bus之下PCI子樹的總線號，如Secondary和Subordinate Bus Number寄存器；另一類寄存器管理下遊PCI總線的I/O和存儲器地址空間，如I/O和Memory Limit、I/O和Memory Base寄存器。在PCI橋中還使用Primary Bus寄存器保存上遊的PCI總線號。

其中存儲器地址空間還分為可預讀空間和不可預讀空間，Prefetchable Memory Limit和Prefetchable Memory Base寄存器管理可預讀空間，而Memory Limit、Memory Base管理不可預讀空間。在PCI體係結構中，除了了ROM地址空間之外，PCI設備使用的地址空間大多都是不可預讀的。

(1)      Subordinate Bus Number、Secondary Bus Number和Primary Bus Number寄存器

PCI橋可以管理其下的PCI總線子樹。其中Subordinate Bus Number寄存器存放當前PCI子樹中，編號最大的PCI總線號。而Secondary Bus Number寄存器存放當前PCI橋Secondary Bus使用的總線號，這個PCI總線號也是該PCI橋管理的PCI子樹中編號最小的PCI總線號。因此一個PCI橋能夠管理的PCI總線號在Secondary Bus Number~Subordinate Bus Number之間。這兩個寄存器的值由係統軟件遍曆PCI總線樹時設置。

Primary Bus Number寄存器存放該PCI橋上遊的PCI總線號，該寄存器可讀寫。Primary Bus Number、Subordinate Bus Number和Secondary Bus Number寄存器在初始化時必須為0，係統軟件將根據這幾個寄存器是否為0，判斷PCI橋是否被配置過。

不同的操作係統使用不同的Bootloader引導，有的Bootloader可能會對PCI總線樹進行遍曆，此時操作係統可以不再重新遍曆PCI總線樹。在x86處理器係統中，BIOS會遍曆處理器係統中的所有PCI總線樹，操作係統可以直接使用BIOS的結果，也可以重新遍曆PCI總線樹。而PowerPC處理器係統中的Bootloader，如U-Boot並沒有完全遍曆PCI總線樹，此時操作係統必須重新遍曆PCI總線樹。

(2)      Secondary Status寄存器

該寄存器的含義與PCI Agent配置空間的Status寄存器的含義相近，PCI橋的Secondary Status寄存器記錄Secondary Bus的狀態，而不是PCI橋作為PCI設備時使用的狀態。在PCI橋配置空間中還存在一個Status寄存器，該寄存器保存PCI橋作為PCI設備時的狀態。

(3)      Secondary Latency Timer寄存器

該寄存器的含義與PCI Agent配置空間的Latency Timer寄存器的含義相近，PCI橋的Secondary Latency Timer寄存器管理Secondary Bus的超時機製，即PCI橋發向下遊的總線事務；在PCI橋配置空間中還存在一個Latency Timer寄存器，該寄存器管理PCI橋發向上遊的總線事務。

(4)      I/O Limit和I/O Base寄存器

在PCI橋管理的PCI子樹中包含許多PCI設備，而這些PCI設備可能會使用I/O地址空間。PCI橋使用這兩個寄存器，存放PCI子樹中所有設備使用的I/O地址空間集合的基地址和大小。

(5)      Memory Limit和Memory Base寄存器

在PCI橋管理的PCI子樹中有許多PCI設備，這些PCI設備可能會使用存儲器地址空間。這兩個寄存器存放所有這些PCI設備使用的，存儲器地址空間集合的基地址和大小，PCI橋規定這個空間的大小至少為1MB。

(6)      Prefetchable Memory Limit和Prefetchable Memory Base寄存器

在PCI橋管理的PCI子樹中有許多PCI設備，如果這些PCI設備支持預讀，則需要從PCI橋的可預讀空間中獲取地址空間。PCI橋的這兩個寄存器存放這些PCI設備使用的，可預取存儲器空間的基地址和大小。

如果PCI橋不支持預讀，則其下支持預讀的PCI設備需要從Memory Base寄存器為基地址的存儲器空間中獲取地址空間。如果PCI橋支持預讀，其下的PCI設備需要根據情況，決定使用可預讀空間，還是不可預讀空間。PCI總線建議PCI設備支持預讀，但是支持預讀的PCI設備並不多見。

(7)      I/O Base Upper 16 Bits and I/O Limit Upper 16寄存器

如果PCI橋僅支持16位的I/O端口，這組寄存器隻讀，且其值為0。如果PCI橋支持32位I/O端口，這組寄存器可以提供I/O端口的高16位地址。

(8)      Bridge Control Register。

該寄存器用來管理PCI橋的Secondary Bus，其主要位的描述如下。

•  Secondary Bus Reset位，第6位，可讀寫。當該位為1時，將使用下遊總線提供的RST#信號複位與PCI橋的下遊總線連接的PCI設備。通常情況下與PCI橋下遊總線連接的PCI設備，其複位信號需要與PCI橋提供的RST#信號連接，而不能與HOST主橋提供的RST#信號連接。
• Primary Discard Timer位，第8位，可讀寫。PCI橋支持Delayed傳送方式，當PCI橋的Primary總線上的主設備使用Delayed方式進行數據傳遞時，PCI橋使用Retry周期結束Primary總線的Non-Posted數據請求，並將這個Non-Posted數據請求轉換為Delayed數據請求，之後主設備需要擇時重試相同的Non-Posted數據請求。當該位為1時，表示在Primary Bus上的主設備需要在2¹⁰個時鍾周期之內重試這個數據請求，為0時，表示主設備需要在2¹⁵個時鍾周期之內重試這個數據請求，否則PCI橋將丟棄Delayed數據請求。
• Secondary Discard Timer位，第9位，可讀寫。當該位為1時，表示在Secondary Bus上的主設備需要在2¹⁰個時鍾周期之內重試這個數據請求，為0時，表示主設備需要在2¹⁵個時鍾周期之內重試這個數據請求，如果主設備在規定的時間內沒有進行重試時，PCI橋將丟棄Delayed數據請求。