PCI设备的地址空间

PCI配置空间(PCI Configuration Space)
PCI设备(PCI device)都有一个配置空间,大小为256字节,实际上是一组连续的寄存器,位于设备上。其中头部64字节是PCI标准规定的,格式如下:
 

 
剩余的部分是PCI设备自定义的。
PCI配置空间头部有6个BAR(Base Address Registers),BAR记录了设备所需要的地址空间的类型(memory space或者I/O space),基址以及其他属性。BAR的格式如下:
 

 
可以看出,设备可以申请两类地址空间,memory space和I/O space,它们用BAR的最后一位区别开来。
说到地址空间,计算机系统中,除了我们常说的memory address(包括逻辑地址、虚拟地址(线性地址)、CPU地址(物理地址)),还有I/O address,这是为了访问I/O设备(主要是设备中的寄存器)而设立的,大部分体系结构中,memory address和I/O address都是分别编址的,且使用不同的寻址指令,构成了两套地址空间,也有少数体系结构将memory address和I/O address统一编址(如ARM)。
有两套地址空间并不意味着计算机系统中需要两套地址总线,实际上,memory address和I/O address是共用一套地址总线,但通过控制总线上的信号区别当前地址总线上的地址是memory address还是I/O address。北桥芯片(Northbridge,Intel称其Memory Controller Hub,MCH)负责地址的路由工作,它内部有一张address map,记录了memory address,I/O address的映射信息,一个典型的address map如图:
 
 

 
我们来看北桥是如何进行地址路由的。根据控制总线上的信号,北桥首先可以识别地址属于memory space还是I/O space,然后分别做处理。
比如若是memory space,则根据address map找出目标设备(DRAM或Memory Mapped I/O),若是DRAM或VGA,则转换地址然后发送给内存控制器或VGA控制器,若是其它I/O设备,则发送给南桥。
若是I/O space,则发送给南桥(Southbridge,Intel称其I/O Controller Hub,ICH),南桥负责解析出目标设备的bus, device, function号,并发送信息给它。
PCI设备会向计算机系统申请很多资源,比如memory space, I/O space, 中断请求号等,相当于在计算机系统中占位,使得计算机系统认识自己。
PCI设备可以通过两种方式将自己的I/O存储器(Registers/RAM/ROM)暴露给CPU:
在memory space申请地址空间,或者在I/O space申请地址空间。
这样,PCI设备的I/O存储器就分别被映射到CPU-relative memory space和CPU-relative I/O space,使得驱动以及操作系统得以正常访问PCI设备。对于没有独立I/O space的体系结构(如ARM),memory space和I/O space是统一编址的,也就是说memory space与I/O space等价了,这时,即使PCI设备在BAR表明了要申请I/O space,实际上也是分配在memory space的,所以驱动无法使用I/O端口指令访问I/O,只能使用访存指令。在Windows驱动开发中,PCM_PARTIAL_RESOURCE_DESCRIPTOR记录了为PCI设备分配的硬件资源,可能有CmResourceTypePort, CmResourceTypeMemory等,后者表示一段memory地址空间,顾名思义,是通过memory space访问的,前者表示一段I/O地址空间,但其flag有CM_RESOURCE_PORT_MEMORY和CM_RESOURCE_PORT_IO两种,分别表示通过memory space访问以及通过I/O space访问,这就是PCI请求与实际分配的差异,在x86下,CmResourceTypePort的flag都是CM_RESOURCE_PORT_IO,即表明PCI设备请求的是I/O地址空间,分配的也是I/O地址空间,而在ARM或Alpha等下,flag是CM_RESOURCE_PORT_MEMORY,表明即使PCI请求的I/O地址空间,但分配在了memory space,我们需要通过memory space访问I/O设备(通过MmMapIoSpace映射物理地址空间到虚拟地址空间,当然,是内核的虚拟地址空间,这样驱动就可以正常访问设备了)。
 
为了为PCI设备分配CPU-relative space,计算机系统需要知道其所申请的地址空间的类型、基址等,这些信息记录在设备的BAR中,每个PCI配置空间拥有6个BAR,因此每个PCI设备最多能映射6段地址空间(实际很多设备用不了这么多)。PCI配置空间的初始值是由厂商预设在设备中的,于是设备需要哪些地址空间都是其自己定的,可能造成不同的PCI设备所映射的地址空间冲突,因此在PCI设备枚举(也叫总线枚举,由BIOS或者OS在启动时完成)的过程中,会重新为其分配地址空间,然后写入PCI配置空间中。
 
通过memory space访问设备I/O的方式称为memory mapped I/O,即MMIO,这种情况下,CPU直接使用普通访存指令即可访问设备I/O。
通过I/O space访问设备I/O的方式称为port I/O,或者port mapped I/O,这种情况下CPU需要使用专门的I/O指令如IN/OUT访问I/O端口。
 
常见的MMIO例子有,VGA card将framebuffer映射到memory space,NIC将自己的片上缓冲映射到memory space,实际上,最典型的MMIO应该是DRAM,它将自己的存储空间映射到memory space,是占用CPU地址空间最多的“设备”。
 
posted @ 2012-05-08 14:57  使命召唤  阅读(17808)  评论(2编辑  收藏  举报