如何访问PCI配置空间数据并操作其映射的物理内存



PC机在启动的时候，都会看到一个PCI设备清单，可以看到机器中的所有PCI设备，其实搜索PCI设备的程序并不难编，本文通过一个实例说明如何遍历PCI设备。

1、了解PCI设备

       PCI的含义是外设部件互连（Peripheral Component Interconnect），PCI局部总线（Local Bus）是1991年由Intel定义的，现在PCI局部总线已经成为了PC机中不可缺少的外围设备总线，几乎所有的外部设备都连接到PCI局部总线上， 我们说的PCI设备，实际上就是指连接在PCI局部总线上的设备。

2、了解PCI配置空间

       学习PCI编程，不了解PCI的配置空间是不可能的，配置空间是一块容量为256字节并具有特定记录结构或模型的地址空间，通过配置空间，我们可以了解该PCI设备的一些配置情况，进而控制该设备，除主总线桥以外的所有PCI设备都必须事先配置空间，本节仅就一些配置空间的共有的规定作一些说明，更加具体和详细的信息请参阅其他书籍及相应的芯片手册。
       配置空间的前64个字节叫头标区，头标区又分成两个部分，第一部分为前16个字节，在各种类型的设备中定义都是一样的，其他字节随各设备支持的功能不同而有所不同，位于偏移0EH的投标类型字段规定了是何种布局，目前有三种头标类型，头标类型1用于PCI-PCI桥，头标类型2用于PCI-CARDBUS 桥，头标类型0用于其他PCI设备，下图为头标类型0的头标区布局。

DW |    Byte3    |    Byte2    |    Byte1    |     Byte0     | Addr---+---------------------------------------------------------+----- 0 | 　　　　Device ID 　　　　| 　　　　Vendor ID 　　　　　|　00---+---------------------------------------------------------+----- 1 | 　　　　　Status　　　　　| 　　　　 Command　　　　　　|　04---+---------------------------------------------------------+----- 2 | 　　　　　　　Class Code　　　　　　　　|　Revision ID　|　08---+---------------------------------------------------------+----- 3 | 　　BIST　　| Header Type | Latency Timer | Cache Line  |　0C---+---------------------------------------------------------+----- 4 | 　　　　　　　　　　Base Address 0　　　　　　　　　　　|　10---+---------------------------------------------------------+----- 5 | 　　　　　　　　　　Base Address 1　　　　　　　　　　　|　14---+---------------------------------------------------------+----- 6 | 　　　　　　　　　　Base Address 2　　　　　　　　　　　|　18---+---------------------------------------------------------+----- 7 | 　　　　　　　　　　Base Address 3　　　　　　　　　　　|　1C---+---------------------------------------------------------+----- 8 | 　　　　　　　　　　Base Address 4　　　　　　　　　　　|　20---+---------------------------------------------------------+----- 9 | 　　　　　　　　　　Base Address 5　　　　　　　　　　　|　24---+---------------------------------------------------------+-----10 | 　　　　　　　　　CardBus CIS pointer　　　　　　　　　 |　28---+---------------------------------------------------------+-----11 |　　Subsystem Device ID　　| 　　Subsystem Vendor ID　　 |　2C---+---------------------------------------------------------+-----12 | 　　　　　　　Expansion ROM Base Address　　　　　　　　|　30---+---------------------------------------------------------+-----13 | 　　　　　　　Reserved(Capability List)　　　　　　　　 |　34---+---------------------------------------------------------+-----14 | 　　　　　　　　　　　Reserved　　　　　　　　　　　　　|　38---+---------------------------------------------------------+-----15 | 　Max_Lat　 | 　Min_Gnt　 | 　IRQ Pin　 | 　IRQ Line　　|　3C-------------------------------------------------------------------

       头标区中有5个字段涉及设备的识别。

1. 供应商识别字段（Vendor ID）该字段用一标明设备的制造者。一个有效的供应商标识由PCI SIG来分配，以保证它的唯一性。0FFFFH是该字段的无效值。
2. 设备识别字段（Device ID）用以标明特定的设备，具体代码由供应商来分配。
3. 版本识别字段（Revision ID）用来指定一个设备特有的版本识别代码，其值由供应商提供，可以是0。
4. 头标类型字段（Header Type）该字段有两个作用，一是用来表示配置空间头标区第二部分的布局类型；二是用以指定设备是否包含多功能。位7用来标识一个多功能设备，位7为0表明是单功能设备，位7为1表明是多功能设备。位0-位6表明头标区类型。
5.  分类代码字段（Class Code）标识设备的总体功能和特定的寄存器级编程接口。该字节分三部分，每部分占一个字节，第一部分是基本分类代码，位于偏移0BH，第二部分叫子分类代码，位于偏移0AH处，第三部分用于标识一个特定的寄存器级编程接口（如果有的话）。

3、配置空间寄存器的读写

       x86的CPU只有内存和I/O两种空间，没有专用的配置空间，PCI协议规定利用特定的I/O空间操作驱动PCI桥路转换成配置空间的操作。目前存在两种转换机制，即配置机制1#和配置机制2#。配置机制2#在新的设计中将不再被采用，新的设计应使用配置机制1#来产生配置空间的物理操作。这种机制使用了两个特定的32位I/O空间，即CF8h和CFCh。这两个空间对应于PCI桥路的两个寄存器，当桥路看到CPU在局部总线对这两个I/O空间进行双字 操作时，就将该I/O操作转变为PCI总线的配置操作。寄存器CF8h用于产生配置空间的地址（CONFIG-ADDRESS），寄存器CFCh用于保存 配置空间的读写数据（CONFIG-DATA）。
将要访问配置空间寄存器的总线号、设备号、功能号和寄存器号以一个双字的格式写到配置地址端口 (CF8H-CFBH)，接着执行配置数据端口(CFCH)的读和写，向配置数据口写数据即向配置空间写数据，从配置数据口读数据即从配置空间读数据。
配置地址端口（CF8H）的格式定义如下：

        寄存器号：选择配置空间中的一个双字（32位）        功能号：  选择多功能设备中的某一个功能，有八种功能，0--7        设备号：  在一条给定的总线上选择32个设备中的一个。0--31        总线号：  从系统中的256条总线中选择一条，0--255

        尽管理论上可以有256条总线，但实际上PC机上PCI插槽的总线号都是1，有些工控机的总线号是2或者3，所以我们只需要查找0--4号总线就足够了。PCI规范规定，功能0是必须实现的，所以，如果功能0的头标类型字段的位7为0，表明这是一个单功能设备，则没有必要再去查其他功能，否则要查询所有其他功能。

4、读取PCI设备

       至此，我们掌握的有关PCI的知识已经足够我们遍历PCI设备了，其实便利方法非常简单就是按照总线号、设备号、功能号的顺序依次罗列所有的可能性，读取配置空间头标区的供应商代码、及设备代码，进而找到所有PCI设备。下面是一个例子，关于读取指定PCI设备的指定配置空间数据的方法，同时可以根据读取的BAR值操作物理内存。

[cpp] view plaincopyprint?

1. #include <sys/io.h>  
2. #include <stdio.h>  
3. #include <stdlib.h>  
4. #include <getopt.h>  
5. #include <unistd.h>  
6. #include <sys/mman.h>  
7. #include <sys/types.h>  
8. #include <sys/stat.h>  
9. #include <fcntl.h>  
10. #include <string.h>  
11.   
12. #define PCI_CONFIG_ADDR(bus, dev, fn, reg) (0x80000000 | (bus << 16) | (dev << 11) | (fn << 8) | (reg & ~3))  
13.   
14. void usage()  
15. {  
16.     printf("Usage: readpci [-bdfrth]\n\  
17.             -a   addr  :   specify bar address default 0\n\  
18.             -b   bus   :   specify   PCI   bus   number(default   0)\n\  
19.             -d   dev   :   device   number(default   0)\n\  
20.             -f   fn    :   function   number(default   0)\n\  
21.             -r   reg   :   register   address(must   be   multiple   of   4,   default   0)\n\  
22.             -p   port  :   specify port number default 0\n\  
23.             -v   value :   write a integer value into the address\n\  
24.             -h         :   print   this   help   text\n ");  
25.     exit(-1);  
26. }  
27.   
28. int operaMem(int bar, int offset, int modValue, int isWrite)  
29. {  
30.     int i;  
31.     int fd;  
32.     char* mem;  
33.     //open /dev/mem with read and write mode  
34.     if((fd = open ("/dev/mem", O_RDWR)) < 0)  
35.     {  
36.         perror ("open error\n");  
37.         return -1;  
38.     }  
39.   
40.     //map physical memory 0-10 bytes  
41.     mem = mmap (0, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, bar);  
42.     if (mem == MAP_FAILED)  
43.     {  
44.         perror ("mmap error:\n");  
45.         return 1;  
46.     }  
47.   
48.     int value = *((int *)(mem + offset));  
49.     printf("The value at 0x%x is 0x%x\n", bar + offset, value);  
50.     if(isWrite == 1)  
51.     {  
52.         printf("Write value 0x%x at 0x%x\n", modValue, bar + offset);  
53.         memcpy(mem + offset, &modValue, 4);  
54.         printf("Reread the value at 0x%x is 0x%x\n", bar + offset, *((int *)(mem + offset)));  
55.     }  
56.       
57.     munmap (mem, 4096); //destroy map memory  
58.     close (fd);         //close file  
59.     return 0;  
60. }  
61.   
62. int parseInt(char *str)  
63. {  
64.     int value = 0;  
65.   
66.     char tmpChar;  
67.     while((tmpChar = *str) != '\0')  
68.     {  
69.         if(tmpChar >= 'A' && tmpChar <= 'F')  
70.         {  
71.             tmpChar = tmpChar - 'A' + 10;  
72.         }  
73.         else if(tmpChar >= 'a' && tmpChar <= 'f')  
74.         {  
75.             tmpChar = tmpChar - 'a' + 10;  
76.         }  
77.         else  
78.         {  
79.             tmpChar -= '0';  
80.         }  
81.         value = value * 16 + tmpChar;  
82.         str += 1;  
83.     }  
84.     return value;  
85. }  
86.   
87. int main(int argc, char **argv)  
88. {  
89.     unsigned long val = 0;  
90.     char options[] = "a:b:d:f:r:v:p:h";  
91.     int addr = 0, bus = 0, dev = 0, fn = 0, reg = 0, port = 0;  
92.     int opt, value = 0, isWrite = 0, isReadBar = 0;  
93.     while((opt = getopt(argc, argv, options)) != -1)  
94.     {  
95.         switch(opt)  
96.         {  
97.             case 'a':  
98.                 addr = parseInt(optarg);  
99.                 break;  
100.             case 'b':  
101.                 bus = atoi(optarg);  
102.                 break;  
103.             case 'd':  
104.                 dev = atoi(optarg);  
105.                 break;  
106.             case 'f':  
107.                 fn = atoi(optarg);  
108.                 break;  
109.             case 'r':  
110.                 reg = parseInt(optarg);  
111.                 break;  
112.             case 'p':  
113.                 port = atoi(optarg);  
114.                 isReadBar = 1;  
115.                 break;  
116.             case 'v':  
117.                 value = parseInt(optarg);  
118.                 isWrite = 1;  
119.                 break;  
120.             case 'h':  
121.             default:  
122.                 usage();  
123.                 break;  
124.         }  
125.     }  
126.   
127.     iopl(3);  
128.     if(isWrite == 0)  
129.     {  
130.         if(isReadBar == 0)  
131.         {  
132.             int i;  
133.             for(i = 0; i < 256; i += 4)  
134.             {  
135.                 outl(PCI_CONFIG_ADDR(bus, dev, fn, i), 0xCF8);  
136.                 val = inl(0xCFC);  
137.                 printf("PCI:Bus %d, DEV %d, FUNC %d, REG %x, Value is %x\n ", bus, dev, fn, i, val);  
138.             }  
139.         }  
140.         else  
141.         {  
142.             outl(PCI_CONFIG_ADDR(bus, dev, fn, 0x10), 0xCF8);  
143.             val = inl(0xCFC) & 0xfffffff0;  
144.             printf("The base address value is 0x%x\n", val);  
145.             int pointAddr = val + port * 0x1000;  
146.             printf("The offset address value is 0x%x\n", pointAddr + addr);  
147.             operaMem(pointAddr, addr, 0, 0);  
148.         }  
149.     }  
150.     else  
151.     {  
152.         outl(PCI_CONFIG_ADDR(bus, dev, fn, 0x10), 0xCF8);  
153.         val = inl(0xCFC) & 0xfffffff0;  
154.         printf("The base address value is 0x%x\n", val);  
155.         int pointAddr = val + port * 0x1000;  
156.         printf("The offset address value is 0x%x\n", pointAddr + addr);  
157.         operaMem(pointAddr, addr, value, 1);  
158.     }  
159.     return 0;  
160. }