【PCI】PCI入门介绍（包含部分PCIe讲解）

先解释一下寻址空间：
机器是32bit的话，意味着4G（2的32次方）寻址空间，内存条作为它的实际物理存储设备。大部分在跑内存程序运行，少部分用来存放其他东西。这是一个常见的4G寻址空间分布（不一定是从 0xC0000000后开始是其他，这只是一个典型分布案例）。而之后会提到的PCI的Memory-Mapping IO配置空间就是分布在0xF0000000之后（地址值大于等于0xF0000000）。

地址范围	用途
0x00000000–0xBFFFFFFF	可用内存（最多 3GB）
0xC0000000–0xFFFFFFFF	Memory-Mapping IO、显存、BIOS 映射等

仅作为bios里需要了解到的PCI知识介绍，不怎么涉及硬件知识，分为4个部分讲：
1.PCI介绍
2.PCI IRQ routing table（Legacy的东西，可不看）
3.PCI config space配置空间
4.如何识别PCIe设备

1. PCI介绍

1.1 PCI总线（PCI bus）历史

PCI全称Peripheral Component Interconnect，外围部件互连。
PCI总线是由ISA(Industy Standard Architecture)总线发展而来的，ISA总线由于CPU资源占用太高，数据传输带宽太小，作为插槽接口已经被淘汰。1992年Intel提出PCI总线，用来连接CPU和外围设备的局部总线，解决了CPU和外围设备尤其是显卡的数据瓶颈（在此之前MCA设备也挺慢，就比ISA好一点）。

PCI规范已经到7.0了，详情可以去官网上看。

1.2 PCI总线优点

高性能，32位同步复用总线，工作频率为33MHz；
线路简化，最少只需47个引脚；
可扩展，通过PCI bridge；
动态配置，init的时候有枚举过程；
中断可共享；
使用方便。

1.3 PCI结构图

Processer和Cache可以整体看做CPU。
Bridge/memory controller这里看做北桥南桥芯片集合，北桥接内存DRAM，南桥接PCI。
（注意，南桥/主芯片组会对不同类型的设备进行桥接和抽象，使得操作系统可以用统一的方式访问不同总线的设备。即使是PCI发展出的PCIe设备直接连接到CPU，硬件和芯片组也会提供一致的配置空间访问手段。一块板上的PCIe设备不一定只能连接到南桥或只连接到CPU，而是取决于主板设计、芯片组支持和设备类型。不再细讲。）
Bus上连各种PCI设备（图里的是举例，并不是真的都连在Bus0上，Bus0是初始的PCI总线，它上面有PCI设备也有PCI桥，PCI桥一对一连到另外的PCI bus，PCI bus上再接设备或PCI桥，终点是PCI bus。PCI bus号是深度优先来算的，并不是Bus0通过直连bridge后的bus就是bus1,bus2…，后面讲）：
比如Audio音频设备，Motion Video视频设备，LAN（实际上是PCI网卡），SCSI（SCSI PCI转换卡，用来接SCSI标准的硬盘/光驱等存储设备），Graphics显卡。

1.4 PCI Bus/Device/Function

这三个是PCI信息读取的重要参数。
Bus：总线号，表示一个PCI设备/PCI桥挂在哪个Bus底下（PCI桥连接上游[数字小的那个，也就是靠Bus0较近的那个]一个bus、下游一个bus，它的bus号是她的上游总线号）。
Host桥（可以看做一个抽象概念，就是连到CPU的东西）引出Bus0，Bus0可以接多个PCI桥（PCI桥只能上游一个bus下游一个bus），PCI桥引出下一级Bus总线。最多可以有256个总线=2的8次方。

非总线0上的设备的bus号由引出该总线的PCI桥的配置空间的offset 19H那一字节代表的
secondary bus number给出。
（之后可以看PCI桥配置空间表格）

Device号：PCI的设备号。一个Bus最多可以接32个Device=2的8次方。
由PCI设备IDSEL引脚所连接的地址线决定。
Function：PCI的功能号，有PCI设备自身决定。PCI桥和设备都可以有多个功能。一个Device最多可以有8个Function=2的3次方。

1.5 PCI拓扑

自己画的，比网上某些清楚多了（。）
可以看到Host Bridge引出Bus 0，Bus 0引出PCI桥进行拓扑，PCI设备挂在PCI Bus上。

1.6 PCI总线信号

物理电器上的Pin脚（对应实际设备上的金手指）

左边是必要的pin脚，右边是可选的（64bit的PCI设备卡长度更长，插槽也更长，因为金手指变多）。
图是这样画的，实际上一个Pin脚就是设备某一侧的金手指，设备两侧加起来一共有最少47个金手指。当然设备也可以设计更多金手指，实际使用数量<=提供的数量。
如果是master device的话，就需要REQ和GNT那两个引脚，需要49Pin。所以说32bit PCI最少只需要47Pin。
注意interrupts，中断INT，之后会讲。

（#代表低电平有效，也可以写成字母上面有一道横线）
AD[31:0]， 地址线和数据线是复用的。
C/BE[3:0]#，命令和字节使能。
PME#， 电源管理事件。
CLK， 时钟信号，给所有PCI设备提供时钟。
RST#， 复位信号，低电平时有效，会将PCI设备重置为初始状态。
INTA#-INTD#， 中断请求信号。
IDSEL， SEL是select的意思，初始化信号设备选择信号。访问一个设备配置寄存器时作为一个片选信号，决定该设备的设备号。

每个Bus的PCI device之所以最多32个，是因为AD从0到31。
每个PCI插槽上PCI设备的IDSEL引脚被主板硬件连接到某一根AD线（比如AD18）。
当主机发起配置访问时，它会在地址总线上输出一个地址，其中某一位（比如 AD18）被置为高电平。由于 AD18 和 PCI 插槽 2 的 IDSEL 引脚是连在一起的，所以：AD18 = 高电平 → 插槽 2 的 IDSEL = 高电平
IDSEL 接到哪根 AD 线是由主板硬件布线决定的，所以某一个PCI插槽的device号是固定的，而它的Bus号由BIOS/固件动态分配特别是部署PCI桥的时候，Function号就更不用说了、设备自身定义。

1.7 PCI Bridge/PCI device配置空间

配置空间对于芯片来说其实放的是配置空间寄存器configuration space register各自的值。
PCI device/PCI bridge的配置空间寄存器在其内部。也就是PCI device的配置空间寄存器在PCI设备比如显卡声卡内部（某些PCI device就在主板上，不是外插的）；PCI桥的配置空间寄存器在主板的桥芯片组里，逻辑上分出很多bridge但是物理上就是一组bridge配置空间寄存器。
bridge和device的空间配置寄存器配置不一样，配置空间当然也不一样。

配置空间相当于每个register对应某bus device function在写值，多个寄存器总结出来就是下方这种表（没显示全，实际会到FF h）。
比如vendor ID Device ID这一行的值在某个SATA PCI型号设备里是一个叫Identifiers的寄存器对应写的4字节（各个厂商spec规范里都会写，都是符合PCI规范要求的）。
确定了bus device function号，才能获取唯一数据的配置空间，换了任一bus/device/function号，都不是完全一样的数据了。

PCI Bridge配置空间：

PCI桥的00h到0Fh和PCI设备的这部分都是一样的结构（后面会放PCI设备的空间配置图）。先介绍一下pci bridge独有的部分：
Primary Bus Number(Offset 18h):PCl桥的上游总线号（桥不是两头接总线吗，它的上游总线号是数字小的/靠近host bridge的）
Secondary Bus Number(Offset 19h):PCI的下游总线号（数字大的/远离host bridge的）
Subordinate Bus Number(Offset 1Ah):PCI桥下游最大的总线号（拓扑图里桥连接的最末端里bus号最大的）
这3个寄存器是在PCI Bus Scan的时候由BIOS填入的。

PCI device配置空间：

讲一下主要的几个地方的值含义：

Vendor ID （Offset 00~01h）
示例 ：ASMedia PCIe-to-PCI Bridge（用于扩展传统PCI插槽） 0x1B21 （代表ASMedia Technology Inc）

Device ID （Offset 02~03h）
示例 ：同上的设备 0x1080（代表ASMedia ASM1083/1085 PCIe to PCI Bridge）
所以读这个设备的配置空间的时候第一行是1080 1B21，如果用RU工具查看：21 1B 80 10（从低到高）

Class Code(Offset 09h~0Bh)
这三个字节实际上是Programming Interface(09h)+Sub-Class(0Ah)+Base Class(0Bh)
代表PCI的类别，例如网络类、显示类。
Base Class这字节如果显示02，就表示Network Controller网络类（PCI spec里有写对应类型）。
spec里都有写对应的，照着看就能明白具体类型了。

Command (Offset 04~07h)
每一bit代表的含义spec都有写，其他的也一样，照着PCI spec看就行了。

Header Type（Offset 0Eh）
Bit 7 : multiple function。是否是多功能，也就是相同的Bus和Device号，有其他Function号。0表示单功能，1表示多功能。
Bit 6 - 0 : 如果值为0=PCI device，1=PCI to PCI bridge，2=Card Bus bridge。
（举例：如果0E偏移这里的1字节读出来是01h，则表明这是一个单功能PCI bridge；如果是读出来是80h，则是多功能PCI device）

Interrupt Line(Offset 3Ch) ：该设备所使用的IRQ Number(值范围是0-0Fh)
什么是IRQ？它是物理上连接到CPU的硬件线（pin脚），用来传递中断信号。当设备需要中断CPU时，会通过具体的IRQ线发送中断请求。而我们需要用PCI的Interrupt Pin去连IRQ。
硬件中断线编号从0到15（0Fh），对应于主要的硬件中断线（如硬盘、声卡、键盘等），这15条中断线（IRQ0-IRQ15）对应不同的pin脚，通常如下：
IRQ0：系统计时器
IRQ1：键盘控制器
IRQ2：级联中断链路
IRQ3：串行端口
IRQ4：串行端口
IRQ5：声卡、其他设备
IRQ6：硬盘控制器
IRQ7：并口
IRQ8-IRQ15：不同的外围设备

Interrupt Pin(Offset 3Dh)：该设备所使用的中断引脚
值为0:该设备没用使用中断引脚，1:用中断引脚INTA#，2:INTB#，3:INTC#，4:INTD#，FFh:reserved
参考之前的PCI pin脚图里：

Capabilities Pointer(Offset 34h) ：存储1字节的指针，可以理解为单链表的头指针（例如图上的这一个字节数据A4h代表指到A4h去索引本PCI的第一个Capability）

PCI的Capability（能力结构）是存放在设备配置空间中的一段特殊数据结构。它允许设备定义一些扩展功能，比如电源管理、MSI（消息中断）、热插拔支持等。
每个Capability 结构都有唯一的ID号，每一个Capability 寄存器都有一个指针，这个指针指向下一个Capability 结构，从而组成一个单向链表结构，这个链表的最后一个Capability 结构的指针为0。

所以我们只用考虑初始 capability pointer值 和 每个Capability结构里包的指针值 。
如图：34h里的值是A4h，所以去看A4h偏移，A4h这一字节的内容是这个Capability X的ID，随后的A5一字节是下一个Capability Y的偏移地址，再往后的区域就是这个Capability X的具体内容（具体占多少字节对照PCI规范）。就像图里这样不断寻址链表，直到Capability 结构的指针为0（例如图里的Capability Z）。被寻址到的Capability即为有对应功能的，没有实现某个能力的情况下，链表中就不会有“这个Capability的ID和内容”。

2. PCI IRQ routing table（Legacy的东西，可不看）

IRQ是可以共享，每个IRQ可以供多个PCI device的INT引脚连接。

Windows 98需要知道主板上每个PCI设备的中断引脚（INTX Pin）和PCI Router中断引脚的对应关系。这个对应关系OS无法自动侦测。
Bios在build的时候提供PCI IRQ Routing Table。Post的时候Bios把这个table从Bios Rom里读出到内存的低段（F000段，可以看做20位地址F）。
Bios或OS根据PCI IRQ Routing Table分配IRQ给PCI设备。

如图所示低段存储着IRQ Table。

这是debug工具查找出来的：
（-s F000:FFFF "$PIR"表示从F0000开始查询FFFF个字节到FFFFF，搜索$PIR）
$PIR是IRQ routing table的标头，在FC5C0找到了（不熟悉这个查询的可以网上找一下资料，F000代表段，C5C0代表偏移，段左移4bit+偏移就是地址），之后就可以按照上面的IRQ Table来对照数据了。

从32offset开始每16字节就是一份Slot信息，里面包含了Bus号、Device号、对4个INT的Link Value和IRQ Bitmap（这部分是最重要的router信息）等等。

3. 如何访问PCI config space配置空间

前面介绍了PCI的bridge和device两种类型的配置空间，接下来说一下如何访问PCI配置空间里的值。

3.1 IO Port（仅用于x86平台，且读写的是Offeset FFh以内的信息）

x86体系中，IO端口是通过专门的指令（如IN/OUT）访问的，这是硬件设计的一部分，对于ARM就不适用了。而且它只能访问PCI设备的0-FFh，访问其他板子上PCIe设备扩展的100-FFFh就不行了。
（当然这里只是说一下配置空间访问，实际上PCIe直连CPU的，PCIe规格的设备当然不能插仅支持PCI的板子上用，之后有机会再介绍区别）

我们要先换算一串32bit数据到CF8（CONFIG_ADDRESS）中表明信息，然后CFC（CONFIG_DATA）进行寄存器读/写（如果不清楚x86的io口读写的自己搜搜资料看看）。
注意：PCI寄存器和配置空间任一改值都会同步，IO读写实际上是在通过IO口改PCI里的寄存器，后面的MMIO改的是内存里的一部分（被PCI寄存器映射出来的配置空间），只针对x86上PCI的话他俩最终效果一样，因为PCI寄存器和内存里的配置空间会同步更新。
上图就是换算数据的每一bit，包含了之前说的非常重要的bus device function属性。bit31置1，bit30:24全置0这是规范，而这个Register对应PCI配置空间图上的偏移，实际上数据是bit 7:0这一整个字节，但是由于规范，我们要对齐来读4字节数据，所以只能让最后2bit置00（详细解释看我另一篇csdn：关于PCI的IO Port读取为什么写入0CF8的32位里最后2bit规定是0）。


举例1，我们要 读 bus2 device1 function1 register2Ch 的数据，下图是填入数据，最终得到8002092C去填CF8。

汇编代码：

mov dx,0CF8h
mov eax,8002092Ch
out dx,eax
mov dx,0CFCh
in eax,dx

eax就会向我们展示获取到的4字节PCI寄存器数据。


举例2， 写bus2 device1 function1 register2Ch 的数据为80868086h：

汇编代码：

mov dx,0CF8h
mov eax,8002092Ch
out dx,eax
mov dx,0CFCh
mov eax,80868086h
out dx,eax

3.2 MMIO（推荐）

MMIO全称memory-mapping io，PCI寄存器映射到内存末端的区域，我们对其进行访问读写。
为什么推荐：1.arm也可以用；2.PCIe设备寄存器多达FFFh=前0-FFh PCI寄存器+后100-FFFh扩展寄存器，而io读写方式寄存器只有8bit，对于扩展部分肯定访问不到。

具体实现C语言mmio相关read/write函数，这里不细说了，只说它要输入的数值，也就是访问的内存空间（PCI映射的配置空间）。

举例：访问Bus2 Dev1 Func1 Reg100h（PCIe设备的扩展寄存器，不然的话PCI寄存器在0~FFh区间）

同样是需要4字节数据，前4位要求是1111，接8位bus号，5位device号，3位function号，再接12位register（也就是要去访问配置空间的偏移）。同理io口访问，也是最后2bit必须写00来保持对齐4字节访问。得到数据F0209100。

4. 如何识别PCI-e设备

答：用capability list

1.确认是否支持capability list（status的寄存器也就是偏移06h的bit4），是1意味着设备支持能力链
2.找到capability链表初始指针（从34h开始）
3.追capability链表（链表结束标识是Next是00h）
4.判断是否其中一个capability ID是10h，有的话则是PCIe设备

附

提一下，PCIe的0~FFh的PCI配置空间capability链表跟PCI一样是以找到next是00h就结束，而扩展部分（100-FFFh）第一个capability就在是100h这里开始。

参考文档：PCI规范