PCIe总线学习笔记（一、PCI基础知识简介）

        PCIe总线是继承了PCI总线而设计而来的，所以理解PCIe总线先熟悉PCI总线会有很大帮助；我写的blog是根据《PCI Express 体系结构导读》作者：王齐，这本书学习后的整理笔记，都是自己理解后用自己的意思表达的，如果理解上有什么出入希望大家可以指出，请以作者原书为准，谢谢；

        在看这个书时我规规矩矩的从前往后看，其实有些内容在后面会有很多理解和答案；先看下下面的图示，会很好理解PCI总线的整个架构：

        

PCI总线和其他总线比较有几个突出优点：

        1、PCI总线空间和处理器空间隔离

        PCI总线上的设备都有自己的PCI地址（PCI总线地址），处理器空间地址和PCI总线地址通过HOST主桥（HOST主桥就是连接处理器和PCI总线的一个设备器件）进行隔离。HOST主桥中有很多寄存器，这就可以使得处理器工作的频率和总线工作频率可以不一样，通过寄存器缓存数据。当处理器要访问PCI设备时，需要通过HOST主桥进行地址转换，把处理器地址转换成PCI总线地址，然后才能访问PCI设备；同理，PCI设备中的数据要往外走，也要通过HOST主桥进行地址转换。说到底，HOST主桥就是一个桥梁。

        2、可扩展性

        所谓可扩展性就是说在PCI总线上可以挂个PCI桥（PCI桥就是连接PCI总线和PCI总线的），然后PCI桥会推出一条PCI总线，该总线上又可以挂一个PCI桥，然后又可以推出一条PCI总线.......；但是一颗PCI总线树（PCI总线树以HOST主桥为树根PCI总线连接的所有设备）上的设备上限为256，其中包括HOST主桥和PCI桥；再提一个概念，上游总线和下游总线：上游总线是PCI桥靠近HOST主桥（或者说处理器）的一段总线，下游总线就是另外一端总线了；

        PCI桥的作用可以隔离PCI设备，不影响各条总线的带宽，总线x1上通讯和总线x2上是否通讯无关；同一条总线上的设备可以自由通讯，同HOST主桥下（PCI域）中设备可以通讯，而不需要处理器操作。当PCI桥出现故障时，如：PCI桥x1出现故障，那么PCI设备11和PCI设备12可以通讯，但是数据不能出去，当然也不影响其他总线上的通讯；

        如果HOST主桥支持Peer-to-Peer数据传输方式，那么设备可以跨PCI桥直接通讯，比如：PCI设备01和PCI设备12；

         3、动态配置机制

        PCI设备的地址可以由系统软件动态分配，解决了地址冲突。每一个PCI设备都有一个独立的配置空间，在配置空间中有该设备在总线上的地址系列的基地址，这个基地址也是有系统软件动态分配的。PCI桥的配置空间中有其PCI子树使用的地址范围；

        4、共享总线机制

        PCI总线上有多个设备，但他们需要通讯时，都必须向PCI总线仲裁器提出申请，当得到允许后才能在总线中发送数据；

        5、中断机制

        PCI总线上的设备可以使用四根中断请求信号INTA  INTB  INTC INTD向处理器发出中断请求;其中INTA是单功能设备,其他的是多功能设备;

PCI总线知识重点

        1、HOST主桥

         HOST主桥是用来隔离处理器的存储器域与PCI总线域的特殊桥片，管理PCI总线域。在其所管理的PCI设备中所有设备的配置空间都由HOST主桥通过配置读写总线周期访问的。

         HOST主桥可以通过设置Inbound寄存器来让不同的PCI总线域中的设备进行通讯；

        2、接口控制信号

        a、FRAME#信号（#表示低电压有效），该信号表示一个PCI总线事务的开始和结束，当设备获得PCI总线仲裁允许，得到使用权后，将置该信号为低电压。

        b、IRDY#信号，该信号由PCI主设备驱动（主设备可以主动发送读写命令，而从设备只能被动接受），其实就是PCI源设备驱动信号，表示主设备（源设备）已经把数据准备好了。如果总线为写事务，则表示在AD[31:0]上的数据有效；如果是读，则表示目标设备（从设备）已经准备好缓存了，主设备可以把数据发送到AD[31:0]上了；（这是个人的理解，和书上有点出入）

        c、TRDY#信号，该信号由目标设备驱动，该信号有效，表示目标设备已经将数据准备好了。如果总线是写事务，则表示目标设备已经准备好了缓存，可以把数据写入目标设备中；如果总线是读事务，表示设备需要的数据在AD[31:0]上有效了。

        d、stop#信号，表示目标设备请求主设备停止当前PCI总线的事务。目标设备可以要主设备对当前PCI总线事务进行重试（Retry，目标数据没有准备好），断连（Disconnect，目标设备不能接受较长的Burst操作），夭折（Target Abort，数据传输出错）；

        e、IDSEL信号，PCI总线在进行配置读写总线事务时，使用该信号选择PCI目标设备；

        f、LOCK#信号，主设备可以使用该信号，将目标设备的某个资源锁定，以防止其他设备访问；

        看下面的PCI总线事务时序图：

        

        下面的时序图解释（书上的描述）：        

        当一个 PCI 主设备需要使用 PCI 总线时，需要首先发送 REQ#信号，通过总线仲裁获得总线使用权，即 GNT#信号有效后，使用以下步骤完成一个完整 PCI 总线事务，对目标设备进行存储器或者 I/O 地址空间的读写访问。
        (1) 当 PCI 主设备获得总线使用权之后， 将在 CLK1 的上升沿置 FRAME#信号有效， 启动 PCI总线事务。当 PCI 总线事务结束后，FRAME#信号将被置为无效。
        (2) PCI 总线周期的第一个时钟周期(CLK1 的上升沿到 CLK2 的上升沿之间)为地址周期。在地址周期中，PCI 主设备将访问的目的地址和总线命令分别驱动到 AD[31:0]和 C/BE#信号上。如果当前总线命令是配置读写，那么 IDSEL 信号线也被置为有效，IDSEL 信号与 PCI 总线的AD[31:11]相连。
        (3) 当 IRDY#、TRDY#和 DEVSEL#信号都有效后，总线事务将使用数据周期，进行数据传递。当 IRDY#和 TRDY#信号没有同时有效时，PCI 总线不能进行数据传递，PCI 总线使用这两个信号进行传送控制。
        (4) PCI 总线支持突发周期，因此在地址周期之后可以有多个数据周期，可以传送多组数据。而目标设备并不知道突发周期的长度，如果目标设备不能继续接收数据时，可以 disconnect 当前总线事务。值得注意的是，只有存储器读写总线事务可以使用突发周期。一个完整的 PCI 总线事务远比上述过程复杂的多，因为 PCI 总线还支持许多传送方式，如双地址周期、fast back-to-back(快速背靠背)、插入等待状态、重试和断连、总线上的错误处理等一系列总线事务。

        3、仲裁信号

        当主设备（从设备被动操作，不需要仲裁信号）需要发起读写总线事务时（就是要占用总线使用权），必须先向仲裁器发起请求，当得到允许PCI总线使用权时，才可以开始通讯；而仲裁就是通过仲裁信号来处理的，仲裁信号有两个信号组成，REQ#和GNT#组成。每个仲裁器都要和主设备直接相连，所以仲裁器的信号接口数量将会限制PCI主设备的数量。解决办法是利用PCI桥推出新的PCI总线，因为在新的总线上也要有仲裁器。下面看下主设备和仲裁器的连接：

        

        请求过程：PCI 主设备使用 PCI 总线进行数据传递时，需要首先置 REQ#信号有效，向 PCI 总线仲裁器发出总线申请，当 PCI 总线仲裁器允许 PCI 主设备获得 PCI 总线的使用权后，将置 GNT#信号为有效，并将其发送给指定的 PCI 主设备。而 PCI 主设备在获得总线使用权之后，将可以置FRAME#信号有效，与 PCI 从设备进行数据通信。

  

        4、Posted和Non-Posted传送方式

        Posted总线事务是指PCI主设备向PCI目标设备发送数据时，数据到达PCI桥后，上游总线就可以结束该事务，该事务就由PCI桥和下游总线去处理。这可以提高效率和解决PCI总线拥挤的问题；

       Non-Posted总线事务是指PCI主设备向PCI目标设备发送数据时，数据必须到达目的设备后才能结束总线事务（此时上游总线不能提前结束）；

       很显然这两种传送数据方式中Posted方式会高效些，但是PCI总线中规定：只有在存储器写请求时，才可以使用Posted总线事务（PMW = Posted Memory Write）；其他的存储器读请求和I/O读写请求、配置读写请求只能使用Non-Posted总线事务；

        5、HOST处理器访问PCI设备

        这涉及到地址域问题，到第二章可以更方便的理解。HOST处理器对PCI设备的数据访问主要包括两个方面内容：一、处理器对PCI设备的存储器和I/O读写请求；二、处理器对PCI设备进行配置读写；

        处理器对PCI设备的I/O读写请求：如果有独立的I/O地址空间，则把PCI的I/O地址映射到存储域的I/O地址空间，然后处理器就可以通过  out/in  指令来访问PCI的数据；如果没有独立的I/O地址空间，则在HOST主桥初始化时，将PCI设备使用的I/O地址空间映射为处理器的存储器地址空间；然后处理器就可以直接访问这些映射出去的地址，当然访问这些地址时，会通过HOST主桥把这些请求转交到PCI总线上。

        处理器对PCI设备的存储器读写请求：将PCI设备使用的BAR空间映射到“存储器域”的存储器地址空间。然后处理器就可以通过存储器读写指令访问存储器地址空间（HOST主桥会转化为PCI总线事务；）

        6、PCI设备读写主存储器

        PCI设备与存储器直接进行数据交换的过程也被称为DMA。PCI总线进行DMA操作时，需要得到数据的大小和目的地址（PCI总线域的物理地址，HOST主桥会负责地址转换）；

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