2.4 PCI总线的配置 分类： 浅谈PCI 2013-07-22 16:27 371人阅读 评论(0) 收藏
PCI总线定义了两类配置请求，一个是Type 00h配置请求，另一个是Type 01h配置请求。PCI总线使用这些配置请求访问PCI总线树上的设备配置空间，包括PCI桥和PCI Agent设备的配置空间。
其中HOST主桥或者PCI桥使用Type 00h配置请求，访问与HOST主桥或者PCI桥直接相连的PCI Agent设备或者PCI桥[1]；而HOST主桥或者PCI桥使用Type 01h配置请求，需要至少穿越一个PCI桥，访问没有与其直接相连的PCI Agent设备或者PCI桥。如图2?8所示，HOST主桥可以使用Type 00h配置请求访问PCI设备01，而使用Type 01h配置请求通过PCI桥1、2或者3转换为Type 00h配置请求之后，访问PCI总线树上的PCI设备11、21、22、31和32[2]。
当x86处理器对CONFIG_DA
值得注意的是，PCIe总线还可以使用ECAM(Enhanced Configuration Access Mechanism)机制访问PCIe设备的扩展配置空间，使用这种方式可以访问PCIe设备256B~4KB之间的扩展配置空间。但是本节仅介绍如何使用CONFIG_ADDRESS和CONFIG_FATA寄存器产生Type 00h和Type 01h配置请求。有关ECAM机制的详细说明见第5.3.2节。
处理器首先将目标PCI设备的ID号保存在CONFIG_ADDRESS寄存器中，之后HOST主桥根据该寄存器的Bus Number字段，决定是产生Type 00h配置请求，还是Type 01h配置请求。当Bus Number字段为0时，将产生Type 00h配置请求，因为与HOST主桥直接相连的总线号为0；大于0时，将产生Type 01h配置请求。
2.4.1 Type 01h和Type 00h配置请求
本节首先介绍Type 01h配置请求，并从PCI总线使用的信号线的角度上，讲述HOST主桥如何生成Type 01配置请求。在PCI总线中，只有PCI桥能够接收Type 01h配置请求。Type 01h配置请求不能直接发向最终的PCI Agent设备，而只能由PCI桥将其转换为Type 01h继续发向其他PCI桥，或者转换为Type 00h配置请求发向PCI Agent设备。PCI桥还可以将Type 01h配置请求转换为Special Cycle总线事务(HOST主桥也可以实现该功能)，本节对这种情况不做介绍。
在地址周期中，HOST主桥使用配置读写总线事务，将CONFIG_ADDRESS寄存器的内容拷贝到PCI总线的AD[31:0]信号线中。CONFIG_ADDRESS寄存器与Type 01h配置请求的对应关系如图2?11所示。
从图2?11中可以发现，CONFIG_ADDRESS寄存器的内容基本上是原封不动的拷贝到PCI总线的AD[31:0]信号线上的[3]。其中CONFIG_ADDRESS的Enable位不被拷贝，而AD总线的第0位为必须为1，表示当前配置请求是Type 01h。
当PCI总线接收到Type 01配置请求时，将寻找合适的PCI桥[4]接收这个配置信息。如果这个配置请求是直接发向PCI桥下的PCI设备时，PCI桥将接收个Type 01配置请求，并将其转换为Type 00h配置请求；否则PCI桥将当前Type 01h配置请求原封不动的传递给下一级PCI总线。
如果HOST主桥或者PCI桥发起的是Type 00h配置请求，CONFIG_ADDRESS寄存器与AD[31:0]的转换如图2?12所示。
此时处理器对CONFIG_DA
而AD[31:11]与CONFIG_ADDRESS的Device Number字段有关，在Type 00h配置请求的地址周期中，AD[31:11]位有且只有一位为1，其中AD[31:11]的每一位选通一个PCI设备的配置空间。如第1.2.2节所述，PCI设备配置空间的片选信号是IDSEL，因此AD[31:11]将与PCI设备的IDSEL信号对应相连。
当以下两种请求之一满足时，HOST主桥或者PCI桥将生成Type 00h配置头，并将其发送到指定的PCI总线上。
(1)
(2)
2.4.2 PCI总线配置请求的转换原则
当CONFIG_ADDRESS寄存器的Enable位为1，系统软件访问CONFIG_DA
其中Type 00h配置请求可以直接读取PCI Agent设备的配置空间，而Type 01h配置请求在通过PCI桥时，最终将被转换为Type 00h配置请求，并读取PCI Agent设备的配置寄存器。本节重点讲述PCI桥如何将Type 01h配置请求转换为Type 00h配置请求。
首先Type 00h配置请求不会被转换成Type 01h配置请求，因为Type 00h配置请求是发向最终PCI Agent设备，这些PCI Agent设备不会转发这些配置请求。
当CONFIG_ADDRESS寄存器的Bus Number字段为0时，处理器对CONFIG_DA
如果CONFIG_ADDRESS寄存器的Bus Number字段为n(n≠0)，即访问的PCI设备不是直接挂接在PCI总线0上的，此时HOST主桥对CONFIG_DA
如果n大于等于某个PCI桥的Secondary Bus Number寄存器，而且小于等于Subordinate Bus number寄存器，那么这个PCI桥将接收在当前PCI总线上的Type 01配置请求，并采用以下规则进行递归处理。
(1)
(2)
(3)
(4)
下文将举例说明PCI总线配置请求的转换原则，并以图2?8为例说明处理器如何访问PCI设备01和PCI设备31的配置空间。PCI设备01直接与HOST主桥相连，因此HOST主桥可以使用Type 00h配置请求访问该设备。
而HOST主桥需要经过多级PCI桥才能访问PCI设备31，因此HOST主桥需要首先使用Type 01h配置请求，之后通过PCI桥1、2和3将Type 01h配置请求转换为Type 00h配置请求，最终访问PCI设备31。
1 PCI设备01
这种情况较易处理，当HOST处理器访问PCI设备01的配置空间时，发现PCI设备01与HOST主桥直接相连，所以将直接使用Type 00h配置请求访问该设备的配置空间，具体步骤如下。
首先HOST处理器将CONFIG_ADDRESS寄存器的Enable位置1，Bus Number号置为0，并对该寄存器的Device、Function和Register Number字段赋值。当处理器对CONFIG_DA
2 PCI设备31
HOST处理器对PCI设备31进行配置读写时，需要通过HOST主桥、PCI桥1、2和3，最终到达PCI设备31。
当处理器访问PCI设备31时，首先将CONFIG_ADDRESS寄存器的Enable位置1，Bus Number字段置为3，并对Device、Function和Register Number字段赋值。之后当处理器对CONFIG_DA
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
2.4.3 PCI总线树Bus号的初始化
在一个处理器系统中，每一个HOST主桥都推出一颗PCI总线树。在一颗PCI总线树中有多少个PCI桥(包括HOST主桥)，就含有多少条PCI总线。系统软件在遍历当前PCI总线树时，需要首先对这些PCI总线进行编号，即初始化PCI桥的Primary、Secondary和Subordinate Bus Number寄存器。
在一个处理器系统中，一般将与HOST主桥直接相连的PCI总线被命名为PCI总线0。然后系统软件使用DFS(Depth First Search)算法，依次对其他PCI总线进行编号。值得注意的是，与HOST主桥直接相连的PCI总线，其编号都为0，因此当处理器系统中存在多个HOST主桥时，将有多个编号为0的PCI总线，但是这些编号为0的PCI总线分属不同的PCI总线域，其含义并不相同。
在一个处理器系统中，PCI总线树的结构如图2?13所示。当然在一个实际的处理器系统中，很少会出现这样复杂的PCI总线树结构，本节采用这个结构的目的是便于说明PCI总线号的分配过程。
在PCI总线中，系统软件使用深度优先DFS算法对PCI总线树进行遍历，DFS算法和广度优先BFS(Breadth First Search)算法是遍历树型结构的常用算法。与BFS算法相比，DFS算法的空间复杂度较低，因此绝大多数系统系统在遍历PCI总线树时，都使用DFS算法而不是BFS算法。
DFS是搜索算法的一种，其实现机制是沿着一颗树的深度遍历各个节点，并尽可能深地搜索树的分支，DFS的算法为线性时间复杂度，适合对拓扑结构未知的树进行遍历。在一个处理器系统的初始化阶段，PCI总线树的拓扑结构是未知的，适合使用DFS算法进行遍历。下文以图2?13为例，说明系统软件如何使用DFS算法，分配PCI总线号，并初始化PCI桥中的Primary Bus Number、Secondary Bus Number和Subordinate Bus number寄存器。所谓DFS算法是指按照深度优先的原则遍历PCI胖树，其步骤如下。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
从以上算法可以看出，PCI桥的Primary Bus和Secondary Bus号的分配在遍历PCI总线树的过程中从上向下分配，而Subordinate Bus号是从下向上分配的，因为只有确定了一个PCI桥之下究竟有多少条PCI总线后，才能初始化该PCI桥的Subordinate Bus号。
2.4.4 PCI总线Device号的分配
一条PCI总线会挂接各种各样的PCI设备，而每一个PCI设备在PCI总线下具有唯一的设备号。系统软件通过总线号和设备号定位一个PCI设备之后，才能访问这个PCI设备的配置寄存器。值得注意的是，系统软件使用“地址寻址方式”访问PCI设备的存储器和I/O地址空间，这与访问配置空间使用的“ID寻址方式”不同。
PCI设备的IDSEL信号与PCI总线的AD[31:0]信号的连接关系决定了该设备在这条PCI总线的设备号。如上文所述，每一个PCI设备都使用独立的IDSEL信号，该信号将与PCI总线的AD[31:0]信号连接，IDSEL信号的含义见第1.2.2节。
在此我们简要回顾PCI的配置读写事务使用的时序。如图1?3所示，PCI总线事务由一个地址周期加若干个数据周期组成。在进行配置读写请求总线事务时，C/BE#信号线的值在地址周期中为0x1010或者为0x1011，表示当前总线事务为配置读或者配置写请求。此时出现在AD[31:0]总线上的值并不是目标设备的PCI总线地址，而是目标设备的ID号，这与PCI总线进行I/O或者存储器请求时不同，因为PCI总线使用ID号而不是PCI总线地址对配置空间进行访问。
如图2?12所示，在配置读写总线事务的地址周期中，AD[10:0]信号已经被Function Number和Register Number使用，因此PCI设备的IDSEL只能与AD[31:11]信号连接。
认真的读者一定可以发现在CONFIG_ADDRESS寄存器中Device Number字段一共有5位可以表示32个设备，而AD[31:11]只有21位，显然在这两者之间无法建立一一对应的映射关系。因此在一条PCI总线上如果有21个以上的PCI设备，那么总是有几个设备无法与AD[31:11]信号线连接，从而PCI总线无法访问这些设备。因为PCI总线在配置请求的地址周期中，只能使用第31~11这些AD信号，所以在一条总线上最多也只能挂接21个PCI设备。这21个设备可能是从0到20，也可能是从11到31排列。从而系统软件在遍历PCI总线时，还是需要从0到31遍历整条PCI总线。
在实际的应用中，一条PCI总线能够挂接21个设备已经足够了，实际上由于PCI总线的负载能力有限，即便总线频率为33MHz的情况下，在一条PCI总线中最多也只能挂接10个负载，一条PCI总线所能挂接的负载详见表1?1。AD信号线与PCI设备IDSEL线的连接关系如图2?14所示。
PCI总线推荐了一种Device Number字段与AD[31:16]之间的映射关系。其中PCI设备0与Device Number字段的0b00000对应；PCI设备1与Device Number字段的0b00001对应，并以此类推，PCI设备15与Device Number字段的0b01111对应。
在这种映射关系之下，一条PCI总线中，与信号线AD16相连的PCI设备其设备号为0；与信号线AD17相连的PCI设备其设备号为1；以此类推，与信号线AD31相连的PCI设备其设备号为15。在Type 00h配置请求中，设备号并没有像Function Number和Register Number那样以编码的形式出现在AD总线上，而是与AD信号一一对应，如图2?12所示。
这里有一个原则需要读者注意，就是对PCI设备的配置寄存器进行访问时，一定要有确定的Bus Number、Device Number、Function Number和Register Number，这“四元组”缺一不可。在Type 00h配置请求中，Device Number由AD[31:11]信号线与PCI设备IDSEL信号的连接关系确定；Function Number保存在AD[10:8]字段中；而Register Number保存在AD[7:0]字段中；在Type 01h配置请求中，也有完整的四元组信息。
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