PCIe【4】地址空间

1. 概述

PCIe设备可以分配到哪些地址空间？

• Configuration Space

  • 用于设备初始化和配置管理

  • 从PCI的256B到PCIe的4KB

• Memory Space

  • 用于数据传输

  • 支持直接内存访问（DMA），允许设备直接读取或写入系统内存，减少CPU干预

• I/O Space（现在基本不用I/O空间了，都是用Memory空间）

• Message Space

  • 实际上并不是一种独立的地址空间类型，而是PCIe引入的一种新的中断机制——消息信号中断（MSI/MSI-X）

2. Base Address Registers

每个PCI设备都有一组BARs，用于定义设备可以访问的内存区域。这些BARs在设备初始化时由BIOS配置，但有时候这些配置可能不是最优的，或者与操作系统的需求不兼容。

2.1 基础概念

基址寄存器（BAR）的主要作用是通过BAR寄存器实现主机与设备之间的地址转换机制，其位于配置空间的第4个双字开始。从PCI设备的角度来说，他只能看到自己的PCI域空间，不知道主机是无法直接被os所操作的，因此需要将其转换为os可以操作的空间。BAR映射模式就是这样一种转换机制，操作系统通过MMU将BAR映射的物理地址转换为进程可访问的虚拟地址。

• 不同设备的BAR分配不同的地址范围，彼此独立，不相互影响。

• 系统会根据需求动态的进行分配，支持热插拔和即插即用。

PCIe 桥类型设备，即PCIe Root Complex和PCIe Switch，包含1型配置头（Type 1 configuration header）
PCIe 非桥类型设备，例如PCIe Endpoint，包含0型配置头（Type 0 configuration header）

1. bit[0]：指明类型，对系统软件只读，0代表MMIO（Memory），1代表端口IO（IO）

2. bit[3:1] : 指明属性

   1. bit[2:1]

      • 如果 bit[2:1] = 00b，表明系统软件需要为该资源分配一个32位的地址
      • 如果 bit[2:1] = 10b，表明系统软件需要为该资源分配一个64位的地址

   2. bit[3]

      • 如果 bit[3] = 1b，表明该资源是prefetchable（预取内存）的，即可以提前加载到缓存，BAR |= PCI_BASE_ADDRESS_MEM_PREFETCH;
      • 如果 bit[3] = 0b，表明该资源是non-prefetchable（非预取内存）的，BAR默认是非预取的。

      lspci -vvv -s <BDF> | pci_resource_flags()

注意：当 bit[2:1] = 10b 时，相邻的两个基址寄存器（Base Address Registers）会合并为 1 个，即 BAR0 和 BAR1 合并为 1 个，BAR2 和 BAR3 合并为 1 个，BAR4 和 BAR5 合并为 1 个。其中，BAR1、BAR3 和 BAR5 用保存 64 位地址的高 32 位。

场景	预取内存	非预取内存
数据特性	可缓存、可预读，写入可合并	严格按序访问，写入立即生效
地址范围	64位（支持高位内存）	32位
性能影响	高吞吐、低延迟（适合大数据）	低吞吐、高延迟（适合控制操作）
典型应用	显存、DMA缓冲区、NVMe数据区域	设备寄存器、中断状态、配置空间

3. bit[6:4]，不可更改，必须设置为0

4. bit[31:7]/bit[63:7] ： 指明资源大小。

   • bit[31:7]，I/O类型或32位地址的MMIO类型

   • bit[63:7]，64位地址的MMIO类型

2.2 Type0 & Type1型配置请求

TLP包中的fmt和style字段决定Type的类型和读写类型：

1. fmt

   1. 000 - Read

   2. 010 - Write

2. style

   1. 00100 - Type0（非桥设备，如EP）

   2. 00101 - Type1（桥设备，Root和Switch端口中的P2P桥）

PCIe协议规定，只有RC可以发出配置空间的读写请求。当RC发出一个Type 1类型的读写请求时，PCIe桥设备会判断该读写请求的BDF中的Bus号是否与下一级总线号相等，如果相等，将类型变为Type 0并发到下一级；如果处于下一级Bus号到最后一级Bus号中间，则以Type 1的类型继续转发下去；否则，直接忽略。

2.3 寄存器偏移

之所以每个PCIe设备包含多个BAR，是因为每个BAR就对应了设备的一段内存空间或I/O空间，例如，显卡的显存可能映射到BAR0，而控制寄存器则有可能映射到BAR1。

寄存器偏移	对应BAR	典型用途
0x10	BAR0	设备内存或I/O区域
0x14	BAR1	扩展内存或功能寄存器
0x18	BAR2 或 64位 BAR1 的高位部分	设备特定功能
0x20	BAR4（64位设备）	高位地址部分
0x24	BAR5 / 扩展空间	设备特殊功能或 MSI-X 表
0x30	Expansion ROM BAR	设备固件或启动代码（如 GPU VBIOS）