PCI裝置的地址空間 【轉】

vc66vcc發表於2016-10-13
PCI配置空間(PCI Configuration Space)
PCI裝置的地址空間 【轉】 - 喧鬧的寂寞 - 荊瓜牛
 
圖 1. 標準 PCI 匯流排的組織結構圖

PCI裝置(PCI device)都有一個配置空間，大小為256位元組，實際上是一組連續的暫存器，位於裝置上。配置空間的前64位元組是配置空間起始段，它對於每種型別的裝置都是相同的。顯示了PCI 裝置的配置空間起始段。 
其中頭部64位元組是PCI標準規定的，格式如下：

PCI裝置的地址空間 【轉】 - 喧鬧的寂寞 - 荊瓜牛

圖 2. PCI 裝置的配置空間起始段

還有PCI網橋的地址空間：

PCI裝置的地址空間 【轉】 - 喧鬧的寂寞 - 荊瓜牛

圖 3. PCI 橋的配置空間起始段  

 
剩餘的部分是PCI裝置自定義的。
PCI配置空間頭部有6個BAR(Base Address Registers)，BAR記錄了裝置所需要的地址空間的型別(memory space或者I/O space)，基址以及其他屬性。BAR的格式如下：

PCI裝置的地址空間 【轉】 - 喧鬧的寂寞 - 荊瓜牛

 
可以看出，裝置可以申請兩類地址空間，memory space和I/O space，它們用BAR的最後一位區別開來。
說到地址空間，計算機系統中，除了我們常說的memory address(包括邏輯地址、虛擬地址(線性地址)、CPU地址(實體地址))，還有I/O address，這是為了訪問I/O裝置(主要是裝置中的暫存器)而設立的，大部分體系結構中，memory address和I/O address都是分別編址的，且使用不同的定址指令，構成了兩套地址空間，也有少數體系結構將memory address和I/O address統一編址(如ARM)。
有兩套地址空間並不意味著計算機系統中需要兩套地址匯流排，實際上，memory address和I/O address是共用一套地址匯流排，但通過控制匯流排上的訊號區別當前地址匯流排上的地址是memory address還是I/O address。北橋晶片(Northbridge，Intel稱其Memory Controller Hub，MCH)負責地址的路由工作，它內部有一張address map，記錄了memory address，I/O address的對映資訊，一個典型的address map如圖：

PCI裝置的地址空間 【轉】 - 喧鬧的寂寞 - 荊瓜牛

 
我們來看北橋是如何進行地址路由的。根據控制匯流排上的訊號，北橋首先可以識別地址屬於memory space還是I/O space，然後分別做處理。
比如若是memory space，則根據address map找出目標裝置(DRAM或Memory Mapped I/O)，若是DRAM或VGA，則轉換地址然後傳送給記憶體控制器或VGA控制器，若是其它I/O裝置，則傳送給南橋。
若是I/O space，則傳送給南橋(Southbridge，Intel稱其I/O Controller Hub，ICH)，南橋負責解析出目標裝置的bus, device, function號，併傳送資訊給它。
PCI裝置會向計算機系統申請很多資源，比如memory space, I/O space, 中斷請求號等，相當於在計算機系統中佔位，使得計算機系統認識自己。
PCI裝置可以通過兩種方式將自己的I/O儲存器(Registers/RAM/ROM)暴露給CPU：
在memory space申請地址空間，或者在I/O space申請地址空間。
這樣，PCI裝置的I/O儲存器就分別被對映到CPU-relative memory space和CPU-relative I/O space，使得驅動以及作業系統得以正常訪問PCI裝置。對於沒有獨立I/O space的體系結構(如ARM)，memory space和I/O space是統一編址的，也就是說memory space與I/O space等價了，這時，即使PCI裝置在BAR表明了要申請I/O space，實際上也是分配在memory space的，所以驅動無法使用I/O埠指令訪問I/O，只能使用訪存指令。在Windows驅動開發中，PCM_PARTIAL_RESOURCE_DESCRIPTOR記錄了為PCI裝置分配的硬體資源，可能有CmResourceTypePort, CmResourceTypeMemory等，後者表示一段memory地址空間，顧名思義，是通過memory space訪問的，前者表示一段I/O地址空間，但其flag有CM_RESOURCE_PORT_MEMORY和CM_RESOURCE_PORT_IO兩種，分別表示通過memory space訪問以及通過I/O space訪問，這就是PCI請求與實際分配的差異，在x86下，CmResourceTypePort的flag都是CM_RESOURCE_PORT_IO，即表明PCI裝置請求的是I/O地址空間，分配的也是I/O地址空間，而在ARM或Alpha等下，flag是CM_RESOURCE_PORT_MEMORY，表明即使PCI請求的I/O地址空間，但分配在了memory space，我們需要通過memory space訪問I/O裝置(通過MmMapIoSpace對映實體地址空間到虛擬地址空間，當然，是核心的虛擬地址空間，這樣驅動就可以正常訪問裝置了)。
 
為了為PCI裝置分配CPU-relative space，計算機系統需要知道其所申請的地址空間的型別、基址等，這些資訊記錄在裝置的BAR中，每個PCI配置空間擁有6個BAR，因此每個PCI裝置最多能對映6段地址空間(實際很多裝置用不了這麼多)。PCI配置空間的初始值是由廠商預設在裝置中的，於是裝置需要哪些地址空間都是其自己定的，可能造成不同的PCI裝置所對映的地址空間衝突，因此在PCI裝置列舉(也叫匯流排列舉，由BIOS或者OS在啟動時完成)的過程中，會重新為其分配地址空間，然後寫入PCI配置空間中。
 
通過memory space訪問裝置I/O的方式稱為memory mapped I/O，即MMIO，這種情況下，CPU直接使用普通訪存指令即可訪問裝置I/O。
通過I/O space訪問裝置I/O的方式稱為port I/O，或者port mapped I/O，這種情況下CPU需要使用專門的I/O指令如IN/OUT訪問I/O埠。
 
常見的MMIO例子有，VGA card將framebuffer對映到memory space，NIC將自己的片上緩衝對映到memory space，實際上，最典型的MMIO應該是DRAM，它將自己的儲存空間對映到memory space，是佔用CPU地址空間最多的“裝置”。
 

相關文章