UEFI——访问PCI/PCIe设备（一）

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一、PCI/PCIE

1.1 PCI/PCIe简介

PCI（Peripheral Component Interface，PCI）的中文为外围组件互联，所谓的外围组件指的是CPU、内存和芯片组以外的设备，这些设备通常通过各种接口连接到计算机的主板上，以扩展计算机的功能和性能，例如磁盘、网卡、声卡、显卡等。其主要目的是连接周边设备，将低速的设备与高速的处理器结合起来，以解决用户对数据传输速率越来越高的要求。PCIe （PCI Express），PCI扩展是在PCI的基础上发展而来的，最大的区别在于PCI采用并行传输，PCIE采用串行。

Link：两个PCIe设备之间的物理连接，一个link由多条lane组成，lane的数量决定了Link的宽度，即x值，例如8x Link表示包含8各lane 16x包含16个lane

PCIe采用双单工模式进行连接，即每条lane中有一条单路发送路径，一条单路接收路径。 

1.2 PCIe 拓扑结构

PCie的拓扑如下图所示：

PCIe拓扑结构是一个树形拓扑，主要包含 Root Complex、PCIe BUS、Endpoint、Port and Bridge、Switch

Root Complex：是PCIe设备树的根节点，CPU通过它与PCIe的总线相连，并最终连接到所有的PCIe设备上。（现在基本上集成在CPU中）虽然是设备树的根节点，但Root Complex并不是只有一个。

PCIe总线（Bus）：PCIe上的设备通过PCIe总线互相连接，PCIe Bus是一个点对点的网络，当Root Complex或者PCIe上的设备之间需要通信的时候，它们会与对方直接连接或者通过交换电路进行点对点的信号传输。

Endpoint：端点就是PCIe拓扑中的设备，不是交换机、桥接器，而是起作用的设备 

Switch：交换机，作用就是拓展PCIe端口，并为挂在它上面的设备提供路由和转发功能。 

Port and Bridge：

 PCIe设备具有两种类型：type0表示最终端的设备，例如我们常见的显卡、网卡、声卡；type1表示switch或Root port，用来连接其它PCIe设备

1.3  BDF

BNF（Bus Number，Device Number，Function Number），PCIe上的所有设备，无论是type0还是type1，在系统启动的时候，都会分配一个唯一的地址，它由三部分组成：

Bus Number：8bits，也就是最多256条总线

Device Number：5bits，最多32个设备

Function Number：3bits，最多8个功能

二、UEFI环境下访问PCI/PCIe设备

2.1 与PCI/PCIe设备通信的机制

在这里主要讨论的是在UEFI环境下访问PCi和PCIe设备。站在软件工程师的角度，在访问PCI/PCIe设备时，只需要回答两个问题就行了。

（1）如何在系统中找到要访问的设备

（2）找到设备以后，如何访问设备内的寄存器或其它资源

2.1.1 如何找到PCIe设备呢？

在UEFI规范中，抽象了PCI的系统结构，典型的桌面系统的PCI架构如图所示：

一般的桌面系统只有一个PCI Host Bus（PCI主机总线），用于完成CPU和PCI设备之间的数据交换。PCI Root Bridge（PCI根桥）一般也只有一个，它管理一个局域总线，下挂一个PCI总线树。我们要访问的PCI设备，就挂在这颗总线树上，它们属于同一总线空间。如下所示：

PCI总线树上包含PCI总线、PCI桥和PCI设备。系统通过三段编码的方式进行编码，即通过Bus Number（总线号），Device Number（设备号）、Function（功能号）来编码，这种编码一般简称为 BDF码。BDF码在BIOS进行PCI总线扫描和枚举过程中确定，可以用来作为查找PCI设备的索引。

找到PCI设备后，如何确定此设备就是自己要找的设备呢？每个PCI设备，除了主总线桥外，都会实现配置空间（PCIe configuration space），在配置空间中，包含了设备厂商用来标识自身的Vendor ID（供应商ID）和Device ID（设备ID）。通过对比PCI设备的Vendor ID和Device ID可以确定所找的设备是否为目标设备。

以X86平台为例，可通过CONFG_ADDR寄存器（0xCF8）和CONFG_DATA寄存器（0xCFC），以BDF码的形式访问PCI设备，以得到设备的配置空间。

PCI设备的基本配置空间由64字节组成，地址范围为0x00~0x3F，主要用来识别设备、定义主机访问PCI卡的方式。 还包含了6个基地址寄存器，这组寄存器被称为BAR，保存了PCI设备使用的地址空间的基地址，也就是该设备在PCI总线域中的地址。每个设备最多有6个基址空间，但不一定全用。

BAR可寻址IO地址空间或者内存地址空间，其最低位为只读位，显示了可以访问哪种地址空间。

 2.1.2 如何访问PCI设备内的寄存器和其他资源呢？

通过BAR寄存器，加上内部寄存器相对于BAR的偏移地址就可以得到PCIe设备内的各种寄存器或其他资源的位置了。在芯片手册中会提供内部资源的使用说明。