《MODEM HOST INTERFACE》，第二章：MHI接口架构

1. 接口架构

MHI 基于以下关键特性作为支持 PCIe 总线的扩展接口：

• 通过内存映射（MMIO），从主机访问设备寄存器
• 从设备访问主机系统内存
• 设备向主机发送中断（MSI）

下表 定义了三个接口内存空间，它们构成了 MHI 的基础模块。

MHI的内存地址布局如下图所示：

1.1 MMIO（内存映射输入输出）概述

内存映射输入输出（MMIO，Memory-mapped I/O）是一种将外设寄存器映射到主机内存地址空间的方法，使主机能够通过标准的内存访问指令（如读取和写入内存）与外设进行通信。

在MMIO中，外设的寄存器被映射到主机的内存地址范围内。主机可以使用常规的内存访问指令来读取或写入这些寄存器，从而与外设进行交互。这种方法简化了硬件设计，因为主机无需使用专门的I/O指令或独立的I/O总线即可访问外设。MMIO的优势包括：

• 简化硬件设计：主机可以使用标准的内存访问指令与外设通信，无需额外的I/O指令或独立的I/O总线。
• 提高性能：通过直接内存访问，减少了CPU与外设之间的交互延迟。
• 统一的访问机制：主机可以使用相同的内存访问机制来访问内存和外设，简化了编程模型。

然而，MMIO也有一些限制：

• 地址空间限制：主机的内存地址空间需要预留一部分用于映射外设寄存器，这可能会限制可用的内存空间。
• 缓存一致性：由于外设寄存器的访问可能不经过缓存，可能需要采取措施确保缓存一致性。

PCIe 配置空间中的 BAR-0 指向 MHI 寄存器接口（MMIO 寄存器）的基地址。 以下表展示了 MMIO 组件：

 

1.2 数据结构

下表 列出了位于主机系统内存（主机 DRAM）中的接口数据结构：

 

1.3 PCIe 物理功能

该设备仅使用一个 PCIe 物理功能来支持 MHI，功能号为 0。MHI/BHI MMIO 寄存器映射到 BAR-0。

1.4 MHI 通道

MHI 通道是主机与设备之间的逻辑单向数据管道。MHI 中的通道概念类似于 USB 中的端点。

MHI 最多支持 256 个通道，但具体设备实现可能并不会用到全部通道。

部分通道用于控制或管理，其他通道则用于数据传输，包括用户进程数据（如 IP 包、位置信息以及其他协议）。

两个单向通道可以组合成一个双向数据管道，即一个用于发送（主机到设备），另一个用于接收（设备到主机）。

1.4.1 通道方向

通道表示通过 PCIe 链路传输数据的方向，可能是入站或出站：

• 入站：表示数据从设备传输到主机
• 出站：表示数据从主机传输到设备

通道方向由通道上下文结构中的通道类型字段（CHTYPE）指定。

1.4.2 通道 ID

MHI 定义了一个 8 位通道 ID（范围 0～255）作为通道的唯一索引。通道 ID 可能包含在数据消息中，用于让主机和设备双方识别通道。通道 ID 用于索引通道上下文数组。

1.5 传输

由传输描述符（TD）定义的“传输”负责组织主机和设备之间的数据传输。传输描述符中包含数据大小及数据所处或接收的内存地址。一个传输可以由多个传输描述符串联而成，以便处理更大规模的传输；当然，如果数据量较小，也可以只使用一个传输描述符来完成传输。

主机通过为传输环分配并初始化一个内存缓冲区来定义传输环。主机会在传输环的地址处设置写指针和读指针，并将这些指针存储到相应的通道上下文中。

当写指针与读指针相同时，传输环为空。读指针用于标识设备将要执行的下一个传输描述符（TD）地址；写指针用于标识主机可以放置新传输描述符（TD）的下一可用位置地址。

传输环的长度在通道上下文数据结构中定义。

1.5.1 事件环

从设备到主机的事件以事件环的形式组织，并在事件描述符（ED）中定义。事件环是位于主机内存中的事件描述符（ED）数组。

1.5.2 环元素

环元素是一种数据结构，用于在主机内存和设备之间（或反向）传输单个数据块。

传输环元素类型通常包含一个指向缓冲区的指针、缓冲区大小以及其他控制信息。其他类型的环元素可能仅包含控制和状态信息。

对于单一缓冲区的操作，一个环描述符只由一个环元素组成。对于需要多个缓冲区的操作（如分散/聚集传输），可以将多个元素链接起来形成更长的描述符。

长度字段用于标识缓冲区指针所引用的缓冲区大小。

如 上图所示，传输环中可能包含多个待处理的传输描述符（TD）。写指针指示了可以插入新工作项（TD）的下一个可用位置；读指针则指示设备将要执行的传输环中的下一个 TD。

传输完成后，其长度和状态会报告到事件环中。事件环的管理方式类似。

1.5.3 分散/聚集传输

通常，分散/聚集（scatter/gather）机制用于将不连续的内存缓冲区拼接为连续的逻辑数据传输。在 PCIe 环境下，主机可以使用多个环元素构建一个 TD，以定义逻辑上连续的内存传输。

对于不连续的数据传输，称为分散/聚集传输（scatter/gather transfers）。可以通过链接多个元素提供更多指针，以描述分散/聚集传输所需的全部信息。

分散/聚集传输的总大小等于该 TD 中所有环元素长度字段之和。

上图显示，除最后一个环元素外，该传输描述符（TD）中的所有环元素的链位（chain bit）都被设置为 1。设备会按顺序从读指针（顶部）到写指针（底部）依次解析 TD 中的环元素。通过此操作，能够将来自主机内存中不同缓冲区的数据拼接为一个连续的数据块。

1.6 命令接口

设备提供了一个命令环接口，供主机管理调制解调器（modem）接口。命令描述符（CD）用于命令环中，描述符中包含特定的命令及其参数。

命令环的操作方式类似于写（出站）传输环。主机发出命令，并将命令描述符添加到命令环中，然后设置命令门铃寄存器（command doorbell register）。

设备会在主事件环（primary event ring）中添加一个事件，用于通知主机某条命令已经完成。设备按照命令在命令环中的排队顺序依次执行这些命令。

下表展示了MHI命令：