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。

 

    在PCI Agent设备配置空间中包含的寄存器如下所示。

(1)      Device ID和Vendor ID寄存器

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)      Revision ID和Class Code寄存器

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)      Header Type寄存器

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)      Cache Line Size寄存器

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)      Subsystem ID和Subsystem Vendor ID寄存器

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)      Expansion ROM base address寄存器

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)      Capabilities Pointer寄存器

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)      Interrupt Line寄存器

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)      Interrupt Pin寄存器

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)  Base Address Register 0~5寄存器

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)  Command寄存器

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)  Status寄存器

该寄存器的绝大多数位都是只读位，保存PCI设备的状态。

(13)  Latency Timer寄存器

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。