PCI设备的配置空间
在一个具体的处理器应用中,PCI设备通常将PCI配置信息存放在E2PROM中。PCI设备进行上电初始化时,将E2PROM中的信息读到PCI设备的配置空间中作为初始值。这个过程由硬件逻辑完成,绝大多数PCI设备使用这种方式初始化其配置空间。
读者可能会对这种机制产生一个疑问,如果系统软件在PCI设备将E2PROM中的信息读到配置空间之前,就开始操作配置空间,会不会带来问题?因为此时PCI设备的初始值并不“正确”,仅仅是PCI设备使用的复位值。
读者的这种担心是多余的,因为PCI设备在配置寄存器没有初始化完毕之前,即E2PROM中的内容没有导入PCI设备的配置空间之前,可以使用PCI总线规定的“Retry”周期使HOST主桥在合适的时机重新发起配置读写请求。
在x86处理器中,系统软件使用CONFIG_ADDR和CONFIG_DATA寄存器,读取PCI设备配置空间的这些初始化信息,然后根据处理器系统的实际情况使用DFS算法,初始化处理器系统中所有PCI设备的配置空间。
在PCI Agent设备的配置空间中包含了许多寄存器,这些寄存器决定了该设备在PCI总线中的使用方法,本节不会全部介绍这些寄存器,因为系统软件只对部分配置寄存器感兴趣。PCI Agent设备使用的配置空间如图2?9所示。
(1)
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)
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)
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)
该寄存器记录HOST处理器使用的Cache行长度。在PCI总线中和Cache相关的总线事务,如存储器写并无效和Cache多行读等总线事务需要使用这个寄存器。值得注意的是,该寄存器由系统软件设置,但是在PCI设备的运行过程中,只有其硬件逻辑才会使用该寄存器,比如PCI设备的硬件逻辑需要得知处理器系统Cache行的大小,才能进行存储器写并无效总线事务,单行读和多行读总线事务。
如果PCI设备不支持与Cache相关的总线事务,系统软件可以不设置该寄存器,此时该寄存器为初始值0x00。对于PCIe设备,该寄存器的值无意义,因为PCIe设备在进行数据传送时,在其报文中含有一次数据传送的大小,PCIe总线控制器可以使用这个“大小”,判断数据区域与Cache行的对应关系。
(5)
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Vendor ID为0x0007[3]。
(6)
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)
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。该组寄存器的详细说明见第4.3节。
(8)
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/O APIC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)
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)
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,有关PCI总线预读机制的详细说明见第3.4.5节。
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)
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)
该寄存器的绝大多数位都是只读位,保存PCI设备的状态。
(13)
在PCI总线中,多个设备共享同一条总线带宽。该寄存器用来控制PCI设备占用PCI总线的时间,当PCI设备获得总线使用权,并使能Frame#信号后,Latency Timer寄存器将递减,当该寄存器归零后,该设备将使用超时机制停止[6]对当前总线的使用。
如果当前总线事务为Memeory Write and Invalidate时,需要保证对一个完整Cache行的操作结束后才能停止当前总线事务。对于多数PCI设备而言,该寄存器的值为32或者64,以保证一次突发传送的基本单位为一个Cache行。
PCIe设备不需要使用该寄存器,该寄存器的值必须为0。因为PCIe总线的仲裁方法与PCI总线不同,使用的连接方法也与PCI总线不同。