原创 3.1 PCI设备BAR空间的初始化

在PCI Agent设备进行数据传送之前，系统软件需要初始化PCI Agent设备的BAR0~5寄存器和PCI桥的Base、Limit寄存器。系统软件使用DFS算法对PCI总线进行遍历时，完成这些寄存器的初始化，即分配这些设备在PCI总线域的地址空间。当这些寄存器初始化完毕后，PCI设备可以使用PCI总线地址进行数据传递。

值得注意的是，PCI Agent设备的BAR0~5寄存器和PCI桥的Base寄存器保存的地址都是PCI总线地址。而这些地址在处理器系统的存储器域中具有映像，如果一个PCI设备的BAR空间在存储器域中没有映像，处理器将不能访问该PCI设备的BAR空间。

如上文所述，处理器通过HOST主桥将PCI总线域与存储器域隔离。当处理器访问PCI设备的地址空间时，需要首先访问该设备在存储器域中的地址空间，并通过HOST主桥将这个存储器域的地址空间转换为PCI总线域的地址空间之后，再使用PCI总线事务将数据发送到指定的PCI设备中。

PCI设备访问存储器域的地址空间，即进行DMA操作时，也是首先访问该存储器地址空间所对应的PCI总线地址空间，之后通过HOST主桥将这个PCI总线地址空间转换为存储器地址空间，再由DDR控制器对存储器进行读写访问。

不同的处理器系统采用不同的机制实现存储器域和PCI总线域的转换。如PowerPC处理器使用Outbound寄存器组实现存储器域到PCI总线域间的转换，并使用Inbound寄存器组实现PCI总线域到存储器域间的转换。

而x86处理器没有这种地址空间域的转换机制，因此从PCI设备的角度上看，PCI设备可以直接访问存储器地址；从处理器的角度上看，处理器可以直接访问PCI总线地址空间。但是读者需要注意，在x86处理器的HOST主桥中仍然有存储器域与PCI总线域这个概念。只是在x86处理器的HOST主桥中，存储器域的存储器地址与PCI总线地址相等，这种“简单相等”也是一种映射关系。

3.1.1 存储器地址与PCI总线地址的转换

下文根据PowerPC和x86处理器的主桥，抽象出一个虚拟的HOST主桥，并以此为例讲述PCI Agent设备之间，以及PCI Agent设备与主存储器间的数据传送过程。

我们假设在一个32位处理器中，其存储器域的0xF000-0000~0xF7FF-FFFF(共128MB)这段物理地址空间与PCI总线的地址空间存在映射关系。

当处理器访问这段存储器地址空间时，HOST主桥将会认领这个存储器访问，并将这个存储器访问使用的物理地址空间转换为PCI总线地址空间，并与0x7000-0000~0x77FF-FFFF这段PCI总线地址空间对应。

为简化起见，我们假定在存储器域中只映射了PCI设备的存储器地址空间，而不映射PCI设备的I/O地址空间。而PCI设备的BAR空间使用0x7000-0000~0x77FF-FFFF这段PCI总线域的存储器地址空间。

在这个HOST主桥中，存储器域与PCI总线域的对应关系如图3‑1所示。

当PCI设备使用DMA机制，访问存储器域地址空间时，处理器系统同样需要将存储器域的地址空间反向映射到PCI总线地址空间。假设在一个处理器系统中，如果主存储器大小为2GB，其在存储器域的地址范围为0x0000-0000~0x7FFF-FFFF，而这段地址在PCI总线域中对应的“PCI总线地址空间”为0x8000-0000~0xFFFF-FFFF。

因此PCI设备进行DMA操作时，必须使用0x8000-0000~0xFFFF-FFFF这段PCI总线域的地址，HOST主桥才能认领这个PCI总线事务，并将这个总线事务使用的PCI总线地址转换为存储器地址，并与0x0000-0000~0x7FFF-FFFF这段存储器区域进行数据传递。

在一个实际的处理器系统中，很少有系统软件采用这样的方法，实现存储器域与PCI总线域之间的映射，“简单相等”还是最常用的映射方法。本章采用图3‑1的映射关系，虽然增加了映射复杂度，却便于读者深入理解存储器域到PCI总线域之间的映射关系。下文将以这种映射关系为例，详细讲述PCI设备BAR0~5寄存器的初始化。

3.1.2 PCI设备BAR寄存器和PCI桥Base、Limit寄存器的初始化

PCI桥的Base、Limit寄存器保存“该桥所管理的PCI子树”的存储器或者I/O空间的基地址和长度。值得注意的是，PCI桥也是PCI总线上的一个设备，在其配置空间中也有BAR寄存器，本节不对PCI桥BAR寄存器进行说明，因为在多数情况下透明桥并不使用其内部的BAR寄存器。下文以图3‑2所示的处理器系统为例说明上述寄存器的初始化过程，该处理器系统使用的存储器域与PCI总线域的映射关系如图3‑1所示。

在PCI设备的BAR寄存器中，包含该设备使用的PCI总线域的地址范围。在PCI设备的配置空间**有6个BAR寄存器，因此一个PCI设备最多可以使用6组32位的PCI总线地址空间，或者3组64位的PCI总线地址空间。这些BAR空间可以保存PCI总线域的存储器地址空间或者I/O地址空间，目前多数PCI设备仅使用存储器地址空间。而在通常情况下，一个PCI设备使用2到3个BAR寄存器就足够了。

为简化起见，我们首先假定在图3‑2中所示的PCI总线树中，所有PCI Agent设备只使用了BAR0寄存器，其申请的数据空间大小为16M字节(即0x1000000字节)而且不可预读，而且PCI桥不占用PCI总线地址空间，即PCI桥不含有BAR空间。并且假定当前HOST主桥已经完成了对PCI总线树的编号。

根据以上假设，系统软件该PCI总线树的遍历过程如下所示。

(1) 系统软件根据DFS算法，系统软件率先寻找到第一组PCI设备，分别为PCI设备31和PCI设备32[1]，并根据这两个PCI设备需要的PCI空间大小，从PCI总线地址空间中(0x7000-0000~0x77FF-FFFF)为这两个PCI设备的BAR0寄存器分配基地址，分别为0x7000-0000和0x7100-0000。

(2) 当系统软件完成PCI总线3下所有设备的BAR空间的分配后，将初始化PCI桥3的配置空间。这个桥片的Memory Base寄存器保存其下所有PCI设备使用的“PCI总线域地址空间的基地址”，而Memory Limit寄存器保存其下PCI设备使用的“PCI总线域地址空间的大小”。系统软件将Memory Base寄存器赋值为0x7000-0000，而将Memory Limit寄存器赋值为0x200-0000。

(3) 系统软件回朔到PCI总线2，并找到PCI总线2上的PCI设备21，并将PCI设备21的BAR0寄存器赋值为0x7200-0000。

(4) 完成PCI总线2的遍历后，系统软件初始化PCI桥2的配置寄存器，将Memory Base寄存器赋值为0x7000-0000，Memory Limit寄存器赋值为0x300-0000。

(5) 系统软件回朔到PCI总线1，并找到PCI设备11，并将这个设备的BAR0寄存器赋值为0x7300-0000。并将PCI桥1的Memory Base寄存器赋值为0x7000-0000，Memory Limit寄存器赋值为0x400-0000。

(6) 系统软件回朔到PCI总线0，并在这条总线上发现另外一个PCI桥，即PCI桥4。并使用DFS算法继续遍历PCI桥4。首先系统软件将遍历PCI总线4，并发现PCI设备41和PCI设备42，并将这两个PCI设备的BAR0寄存器分别赋值为0x7400-0000和0x7500-0000。

(7) 系统软件初始化PCI桥4的配置寄存器，将Memory Base寄存器赋值为0x7400-0000，Memory Limit寄存器赋值为0x200-0000。系统软件再次回到PCI总线0，这一次系统软件没有发现新的PCI桥，于是将初始化这条总线上的所有PCI设备。

(8) PCI总线0上只有一个PCI设备，PCI设备01。系统软件将这个设备的BAR0寄存器赋值为0x7600-0000，并结束整个DFS遍历过程。

[1] HOST主桥下的第一个桥片是PCI桥片1，PCI桥片1下的第一个桥片是PCI桥片2，而PCI桥片2下的第一个桥片是PCI桥片3，因而第一组PCI设备为PCI总线3下的PCI设备。不同的系统软件查找第一组PCI设备的方法不同，Linux认为第一组PCI设备为PCI总线0下的PCI设备。