PCIe设备漫游记----BIOS篇

调试个人经验之谈：

当主板在BIOS阶段枚举PCIE时，如果PCIE没有初始化完成，就使设备无法被枚举成功，主板会关闭slot时钟输出。一定要注意这个时间差，设备一定要初始化完成。正常枚举后一定可以访问设备寄存器空间如BAR。如果不能被正常配置，则设备没正常工作。

 初步了解完PCI总线标准之后，我们接下来正式开始PCIe设备的漫游之旅。从我们按下PC的电源按钮开始，BIOS就接管系统控制权开始工作，它会先进行一些内存和设备的初始化工作（当然，也包括我们的PCI设备），由于商业上的原因，Phoenix等厂商的BIOS代码需要授权协议，在此，我们以另外一个款开源BIOS（openbios）为例，来剖析BIOS中，我们的PCIe设备是如何被找到以及初始化的。

PCI设备的扫描是基于深度优先搜索算法（DFS：Depth First Search)，也就是说，下级分支最多的PCI桥将最先完成其子设备的扫描。下面我们以图片来具体说明，ＢＩＯＳ是如何一步步完成PCI 设备扫描的。

第一步：

PCI Host 主桥扫描Bus 0上的设备（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 Bus 0），系统首先会忽略Bus 0上的D1，D2等不会挂接PCI桥的设备，主桥发现Bridge 1后，将Bridge1 下面的PCI Bus定为 Bus 1，系统将初始化Bridge 1的配置空间，并将该桥的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分别设置成0和1，以表明Bridge1 的上游总线是0，下游总线是1，由于还无法确定Bridge1下挂载设备的具体情况，系统先暂时将Subordinate Bus Number设为0xFF。如下图所示：

第二步：

系统开始扫描Bus 1，将会发现Bridge 2。系统将Bridge 2下面的PCI Bus定为Bus 2，并将该桥的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分别设置成1和2，和上一步一样暂时把Bridge 2 的Subordinate Bus Number设为0xFF。如下图所示：

第三步：

系统继续扫描Bus 2，将会发现Bridge 4。系统将Bridge 4下面的PCI Bus定为Bus 3，并将该桥的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分别设置成2和3，此后

系统继续扫描后发现Bus 3 下面已经没有任何Bridge了，意味着该PCI总线下已经没有任何挂载下游总线了，因此Bridge 4的Subordinate Bus Number的值已经可以确定为3了。

如下图所示：

第四步：

完成Bus 3的扫描后，系统返回到Bus 2继续扫描，发现Bus 2下面已经没有其他Bridge了。此时Bridge 2的Subordinate Bus Number的值也已经可以确定为3了。如下图所示：

第五步：

完成Bus 2的扫描后，系统返回到Bus1继续扫描，会发现Bridge 3，系统将Bridge 3下面的PCI Bus定为Bus 4。并将Bridge 4的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分别设置成1和4，此后系统继续扫描后发现Bus 4 下面已经没有任何Bridge了，意味着该PCI总线下已经没有挂载任何下游总线了，因此Bridge 3 的Subordinate Bus Number的值已经可以确定为4了。如下图所示：

第六步：

完成Bus 4的扫描后，系统返回到Bus 1继续扫描， 发现Bus 1下面已经没有其他Bridge了。此时Bridge 1的Subordinate Bus Number的值已经可以确定为4，系统返回Bus 0继续扫描（Bus 0下如果有其他它Bridge，将重复上述的步骤进行扫描）。至此，本例中的整个PCI的设备扫描已经完成了。最终的设备和总线的扫描结果如下图所示。

了解了上面PCI设备扫描的大概流程，我们接下来看看Bios代码中具体是如何实现这些扫描的。

一般来说，我们可以通过两个寄存器来访问PCI的配置空间（寄存器CONFIG_ADDRESS与CONFIG_DATA），在x86体系下，这两个寄存器分别对应0xCF8和0xCFC端口，对配置空间的访问都是通过对这两个寄存器的读写来实现先。CONFIG_ADDRESS寄存器的具体位组成如下图所示：

Bus Number : 总线号（8 bit)，范围0--255。

Device Number: 设备号（5 bit)，范围0--31。

Function Number: 功能号（3 bit)，范围0--7。

Register Number: 寄存器号（6 bit),范围0--63 （配置空间一共256个字节，分割成64个4字节的寄存器，从0--63编号）。

每个PCI设备可根据上图所示的四个信息：Bus Number, Device Number, Function Number，Register Number 来进行具体设备的定位并对其配置空间访问。当我们要访问PCI设备的配置空间时，先根据以上格式设置CONFIG_ADDRESS寄存器，然后再读取CONFIG_DATA寄存器即可得到相应的配置空间寄存器的值。

因此，BIOS中PCI配置空间的读写可以封装成下面的函数：

[cpp] view plaincopy

1. static inline uint32_t pci_config_read32(pci_addr dev, uint8_t reg)  
2. {  
3.     outl(dev | reg, 0xcf8);  
4.     return inl(0xcfc | reg);  
5. }  
6.   
7. static inline void pci_config_write32(pci_addr dev, uint8_t reg, uint32_t val)  
8. {  
9.     outl(dev | reg, 0xcf8);  
10.     outl(val, 0xcfc);  
11. }  

总体来说。该BIOS扫描过程中调用如下几个主要的函数：

ob_pci_init  ----> ob_scan_pci_bus ----> pci_find_device ----> ob_pci_configure

下面我们来具体看看代码，首先BIOS执行ob_pci_init(void)函数

[cpp] view plaincopy

1. int ob_pci_init(void)  
2. {  
3.         int bus;  
4.         unsigned long mem_base, io_base;  
5.     char *path;  
6.   
7. #ifdef CONFIG_DEBUG_PCI  
8.     printk("Initializing PCI devices...\n");  
9. #endif  
10.   
11.     /* brute force bus scan */  
12.   
13.     /* Find all PCI bridges */  
14.   
15.         //获取系统指定的memeory与I/O空间的范围，分配给PCIe设备。  
16.     mem_base = arch->mem_base;  
17.         /* I/O ports under 0x400 are used by devices mapped at fixed 
18.            location. */  
19.         io_base = arch->io_base + 0x400;  
20.     path = strdup("");  
21.   
22.         /*遍历256条总线*/  
23.         for (bus = 0; bus<0x100; bus++) {  
24.         ob_scan_pci_bus(bus, &mem_base, &io_base, &path);  
25.     }  
26.     free(path);  
27.     return 0;  
28. }  

总线扫描具体实现：

[cpp] view plaincopy

1. static void ob_scan_pci_bus(int bus, unsigned long *mem_base,  
2.                             unsigned long *io_base, char **path)  
3. {  
4.     int devnum, fn, is_multi, vid, did;  
5.     unsigned int htype;  
6.     pci_addr addr;  
7.     pci_config_t config;  
8.         const pci_dev_t *pci_dev;  
9.     uint32_t ccode;  
10.     uint8_t class, subclass, iface, rev;  
11.   
12.     activate_device("/");  
13.     for (devnum = 0; devnum < 32; devnum++) {  
14.         is_multi = 0;  
15.         for (fn = 0; fn==0 || (is_multi && fn<8); fn++) {  
16. #ifdef CONFIG_XBOX  
17.             if (pci_xbox_blacklisted (bus, devnum, fn))  
18.                 continue;  
19. #endif  
20.             addr = PCI_ADDR(bus, devnum, fn);       /*获取设备配置空间地址*/  
21.             vid = pci_config_read16(addr, PCI_VENDOR_ID);  /*获取Vendor ID*/  
22.             did = pci_config_read16(addr, PCI_DEVICE_ID);  /*获取Device ID*/  
23.   
24.             if (vid==0xffff || vid==0)  
25.                 continue;  
26.   
27.             ccode = pci_config_read16(addr, PCI_CLASS_DEVICE);  
28.             class = ccode >> 8;  
29.             subclass = ccode;  
30.             iface = pci_config_read8(addr, PCI_CLASS_PROG);  
31.             rev = pci_config_read8(addr, PCI_REVISION_ID);  
32.   
33.             pci_dev = pci_find_device(class, subclass, iface,/*具体设备查找以及初始化*/  
34.                           vid, did);  
35.   
36. #ifdef CONFIG_DEBUG_PCI  
37.             printk("%x:%x.%x - %x:%x - ", bus, devnum, fn,  
38.                     vid, did);  
39. #endif  
40.             htype = pci_config_read8(addr, PCI_HEADER_TYPE);  
41.             if (fn == 0)  
42.                 is_multi = htype & 0x80;  
43.   
44.             if (pci_dev == NULL || pci_dev->name == NULL)  
45.                             snprintf(config.path, sizeof(config.path),  
46.                      "%s/pci%x,%x", *path, vid, did);  
47.             else  
48.                             snprintf(config.path, sizeof(config.path),  
49.                      "%s/%s", *path, pci_dev->name);  
50. #ifdef CONFIG_DEBUG_PCI  
51.             printk("%s - ", config.path);  
52. #endif  
53.             config.dev = addr & 0x00FFFFFF;  
54.   
55.             REGISTER_NAMED_NODE(ob_pci_node, config.path);  
56.   
57.             activate_device(config.path);  
58.   
59.                         ob_pci_configure(addr, &config, mem_base, io_base); /*配置设备的配置空间*/  
60.             ob_pci_add_properties(addr, pci_dev, &config);  
61.   
62.                         if (class == PCI_BASE_CLASS_BRIDGE &&  
63.                             (subclass == PCI_SUBCLASS_BRIDGE_HOST ||  
64.                              subclass == PCI_SUBCLASS_BRIDGE_PCI)) {  
65.                 /* host or bridge */  
66.                 free(*path);  
67.                 *path = strdup(config.path);  
68.             }  
69.   
70.         }  
71.     }  
72.     device_end();  
73. }  

具体某条总线上的设备扫描由以下函数实现：

[cpp] view plaincopy

1. <pre name="code" class="cpp">const pci_dev_t *pci_find_device (uint8_t class, uint8_t subclass,  
2.                                   uint8_t iface, uint16_t vendor,  
3.                                   uint16_t product)  
4. {  
5.     int (*config_cb)(const pci_config_t *config);  
6.     const pci_class_t *pclass;  
7.     const pci_subclass_t *psubclass;  
8.     const pci_iface_t *piface;  
9.     const pci_dev_t *dev;  
10.     const void *private;  
11.     pci_dev_t *new;  
12.     const char *name, *type;  
13.   
14.     name = "unknown";  
15.     type = "unknown";  
16.     config_cb = NULL;  
17.     private = NULL;  
18.   
19.     if (class == 0x00 && subclass == 0x01) {  
20.         /* Special hack for old style VGA devices */  
21.         class = 0x03;  
22.         subclass = 0x00;  
23.     } else if (class == 0xFF) {  
24.         /* Special case for misc devices */  
25.         dev = misc_pci;  
26.         goto find_device;  
27.     }  
28.     if (class > (sizeof(pci_classes) / sizeof(pci_class_t))) {  
29.         name = "invalid PCI device";  
30.         type = "invalid";  
31.         goto bad_device;  
32.     }  
33.     pclass = &pci_classes[class];  
34.     name = pclass->name;  
35.     type = pclass->type;  
36.     for (psubclass = pclass->subc; ; psubclass++) {  
37.         if (psubclass->subclass == 0xFF)  
38.             goto bad_device;  
39.         if (psubclass->subclass == subclass) {  
40.             if (psubclass->name != NULL)  
41.                 name = psubclass->name;  
42.             if (psubclass->type != NULL)  
43.                 type = psubclass->type;  
44.             if (psubclass->config_cb != NULL) {  
45.                 config_cb = psubclass->config_cb;  
46.             }  
47.             if (psubclass->private != NULL)  
48.                 private = psubclass->private;  
49.             if (psubclass->iface != NULL)  
50.                 break;  
51.             dev = psubclass->devices;  
52.             goto find_device;  
53.         }  
54.     }  
55.     for (piface = psubclass->iface; ; piface++) {  
56.         if (piface->iface == 0xFF) {  
57.             dev = psubclass->devices;  
58.             break;  
59.         }  
60.         if (piface->iface == iface) {  
61.             if (piface->name != NULL)  
62.                 name = piface->name;  
63.             if (piface->type != NULL)  
64.                 type = piface->type;  
65.             if (piface->config_cb != NULL) {  
66.                 config_cb = piface->config_cb;  
67.             }  
68.             if (piface->private != NULL)  
69.                 private = piface->private;  
70.             dev = piface->devices;  
71.             break;  
72.         }  
73.     }  
74. find_device:  
75.     if (dev == NULL)  
76.     goto bad_device;  
77.     for (;; dev++) {  
78.         if (dev->vendor == 0xFFFF && dev->product == 0xFFFF) {  
79.             goto bad_device;  
80.         }  
81.         if (dev->vendor == vendor && dev->product == product) {  
82.             if (dev->name != NULL)  
83.                 name = dev->name;  
84.             if (dev->type != NULL)  
85.                 type = dev->type;  
86.             if (dev->config_cb != NULL) {  
87.                 config_cb = dev->config_cb;  
88.             }  
89.             if (dev->private != NULL)  
90.                 private = dev->private;  
91.             new = malloc(sizeof(pci_dev_t));  
92.             if (new == NULL)  
93.                 return NULL;  
94.             new->vendor = vendor;  
95.             new->product = product;  
96.             new->type = type;  
97.             new->name = name;  
98.             new->model = dev->model;  
99.             new->compat = dev->compat;  
100.             new->acells = dev->acells;  
101.             new->scells = dev->scells;  
102.             new->icells = dev->icells;  
103.             new->config_cb = config_cb;  
104.             new->private = private;  
105.   
106.             return new;  
107.         }  
108.     }  
109. bad_device:  
110.     printk("Cannot manage '%s' PCI device type '%s':\n %x %x (%x %x %x)\n",  
111.            name, type, vendor, product, class, subclass, iface);  
112.   
113.     return NULL;  
114. }  
115.   
116.   
117.   
118. 配置具体设备的配置空间  
119.   
120. static void ob_pci_configure(pci_addr addr, pci_config_t *config, unsigned long *mem_base,  
121.                  unsigned long *io_base)  
122.   
123. {  
124.     uint32_t smask, omask, amask, size, reloc, min_align;  
125.         unsigned long base;  
126.     pci_addr config_addr;  
127.     int reg;  
128.     uint8_t irq_pin, irq_line;  
129.           
130.         /*配置中断引脚与中断编号*/  
131.     irq_pin =  pci_config_read8(addr, PCI_INTERRUPT_PIN);  
132.     if (irq_pin) {  
133.         config->irq_pin = irq_pin;  
134.         irq_pin = (((config->dev >> 11) & 0x1F) + irq_pin - 1) & 3;  
135.         irq_line = arch->irqs[irq_pin];  
136.         pci_config_write8(addr, PCI_INTERRUPT_LINE, irq_line);  
137.         config->irq_line = irq_line;  
138.     } else  
139.         config->irq_line = -1;  
140.   
141.         /*配置memory空间和I/O空间*/  
142.     omask = 0x00000000;  
143.     for (reg = 0; reg < 7; reg++) {  
144.   
145.         config->assigned[reg] = 0x00000000;  
146.         config->sizes[reg] = 0x00000000;  
147.   
148.         if ((omask & 0x0000000f) == 0x4) {  
149.             /* 64 bits memory mapping */  
150.             continue;  
151.         }  
152.   
153.         if (reg == 6)  
154.             config_addr = PCI_ROM_ADDRESS;  
155.         else  
156.             config_addr = PCI_BASE_ADDR_0 + reg * 4;  
157.   
158.         config->regions[reg] = pci_config_read32(addr, config_addr);  
159.   
160.         /* get region size */  
161.   
162.         pci_config_write32(addr, config_addr, 0xffffffff);  
163.         smask = pci_config_read32(addr, config_addr);  
164.         if (smask == 0x00000000 || smask == 0xffffffff)  
165.             continue;  
166.   
167.         if (smask & 0x00000001 && reg != 6) {  
168.             /* I/O space */  
169.             base = *io_base;  
170.             min_align = 1 << 7;  
171.             amask = 0x00000001;  
172.             pci_config_write16(addr, PCI_COMMAND,  
173.                        pci_config_read16(addr,  
174.                                  PCI_COMMAND) |  
175.                                  PCI_COMMAND_IO);  
176.         } else {  
177.             /* Memory Space */  
178.             base = *mem_base;  
179.             min_align = 1 << 16;  
180.             amask = 0x0000000F;  
181.             if (reg == 6) {  
182.                 smask |= 1; /* ROM */  
183.             }  
184.             pci_config_write16(addr, PCI_COMMAND,  
185.                        pci_config_read16(addr,  
186.                                 PCI_COMMAND) |  
187.                                 PCI_COMMAND_MEMORY);  
188.         }  
189.         omask = smask & amask;  
190.         smask &= ~amask;  
191.         size = (~smask) + 1;  
192.         config->sizes[reg] = size;  
193.         reloc = base;  
194.         if (size < min_align)  
195.             size = min_align;  
196.         reloc = (reloc + size -1) & ~(size - 1);  
197.         if (*io_base == base) {  
198.             *io_base = reloc + size;  
199.             reloc -= arch->io_base;  
200.         } else {  
201.             *mem_base = reloc + size;  
202.         }  
203.         pci_config_write32(addr, config_addr, reloc | omask);  
204.         config->assigned[reg] = reloc | omask;  
205.     }  
206. }  
207.   
208. 通过以上这些步骤，Bios就完成了所有PCI设备的扫描，并且为每个设备分配好了系统资源。<br>  
209. </pre>  
210. <pre></pre>