01.PCIE简介

PCI-Express(peripheral component interconnect express)，简称PCIE，是一种高速串行计算机扩展总线标准，主要用于扩充计算机系统总线数据吞吐量以及提高设备通信速度。

PCIE本质上是一种全双工的的连接总线，传输数据量的大小由通道数lane决定的。一般，1个连接通道lane称为X1，每个通道lane由两对数据线组成，一对发送，一对接收，每对数据线包含两根差分线。即X1只有1个lane，4根数据线，每个时钟每个方向1bit数据传输。依次类推，X2就有2个lane，由8根数据线组成，每个时钟传输2bit。类似的还有X12、X16、X32。

▲图1-1 PCIE总线通道和速率关系

02.PCIE总线架构图

PCIE体系架构一般包含根组件RC（rootcomplex），交换器switch，终端设备EP（endpoint）等类型的PCIE设备组成。RC在总线架构中只有一个，用于处理器和内存子系统与I/O设备之间的连接，而switch的功能通常是以软件形式提供的，它包括两个或更多的逻辑PCI到PCI的连接桥（PCI-PCI Bridge），以保持与现有PCI兼容，具体功能类似现在的网络交换机。

▲图2-1 PCIE总线架构拓扑

当总线上存在多种PCIE设备时，主机host会依照深度优先的算法对全部的设备树上的PCIE设备进行枚举查询，统称PCIE设备枚举。

一般来说，当系统上电后，host会自动查询PCIE设备枚举以获取总线拓扑结构。除一些特殊系统外，普通的系统只会在开机阶段进行设备的扫描，启动成功后，即枚举过程结束后，即使插入一个PCIE设备，系统也不会再去识别它。

在SkyEye仿真平台中，我们使用相对应的接口连接来模拟实际的PCIE设备之间的总线连接，以ft2000为例，PCIE总线连接架构图2-2如下所示。

▲图2-2 ft2000a连接PCIE设备示意图

在SkyEye平台仿真PCIE总线设备时，最少需要拖拽3个模块，以ft2000a为例，需要拖拽ft2000a_pcie和ft2000a_pcie_memory模块作为RC设备；第二是需要拖拽pcie_linker作为总线连接器，主要承担的是PCIE桥或者交换器的功能；最后就需要添加PCIE终端设备，根据实际需要来添加相应的模块，可以存在多个终端设备。

在使用接口连接RC设备和pcie_linker设备时，需要选中两种接口，如下图所示：

▲图2-3 RC连接linker的接口

其中“pcie_bus_intf”主要用来实现PCIE总线的内存映射和读写功能。

同时，RC的设备属性上也需要设置PCIE的EP数量(不包括桥或者交换器)，如下图所示：

▲图2-4 RC设备属性设置

使用pcie_linker可以1对多的连接，需要对接口连接中的索引值进行设定，如下图，需要注意的是，索引值的设置需要与上面的“pcie_num”对应，从0开始，一直到“pcie_num” - 1，且最大不超过64.

▲图2-5 linker连接EP设备接口

03.PCIE的BDF

每个PCIE设备在系统总线上都有自己的标识符，这个标识符就是BDF（Bus，Device，Function），PCIE的配置软件（即Root的应用层，一般是PC）应当有能力识别整个PCIE总线系统的拓扑逻辑，以及其中的每一条总线（Bus），每一个设备（Device）和每一项功能（Function）。

在BDF中，Bus Number占用8位，Device Number占用5位，Function Number占用3位。显然，PCIe总线最多支持256个子总线，每个子总线最多支持32个设备，每个设备最多支持8个功能，如下图所示：

▲图3-1 BDF空间分配

需要注意的是，每Bus0总是分配给RC，且每个设备必须要有功能0（Fun0），其他的7个功能（Fun1~Fun7）都是可选的。

SkyEye仿真实现PCIE设备的BAR地址设置则是在PCIE设备建模时对其配置信息结构体中对BDF进行配置。

▲图3-2 SkyEye仿真配置BDF

04.PCIE的配置空间

PCIE有三个相互独立的物理地址空间：设备存储器地址空间、I/O地址空间和配置空间。配置空间是PCIE所特有的一个物理空间。由于PCIE支持设备即插即用，所以PCIE设备不占用固定的内存地址空间或I/O地址空间，而是通过配置空间来实现地址映射的。

系统加电时，BIOS检测PCIE总线，确定所有连接在PCIE总线上的设备以及它们的配置要求，并进行系统配置。所以，所有的PCIE设备必须实现配置空间，从而能够实现参数的自动配置，实现真正的即插即用。

PCI总线规范定义的配置空间总长度为256个字节，配置信息按一定的顺序和大小依次存放。前64个字节的配置空间称为配置头，一般有两种，Type0和Type1，分别对应桥设备和终端设备。配置头的主要功能是用来识别设备、定义主机访问PCI卡的方式（I/O访问或者存储器访问，还有中断信息），Type0如图4-1所示，Type1如图4-2所示。

▲图4-1 终端设备Type0配置头 ▲图4-2 桥设备Type1配置头

其中，配置头中的重要寄存器意义如下：

Vendor ID：厂商ID。知名的设备厂商的ID。FFFFh是一个非法厂商ID，可它来判断PCI设备是否存在。

Device ID：设备ID。某厂商生产的设备的ID。操作系统就是凭着 Vendor ID和Device ID 找到对应驱动程序的。

Class Code：类代码。共三字节，分别是类代码、子类代码、编程接口。类代码不仅用于区分设备类型，还是编程接口的规范，这就是为什么会有通用驱动程序。

IRQ Line：IRQ编号。PC机以前是靠两片8259芯片来管理16个硬件中断。现在为了支持对称多处理器，有了APIC（高级可编程中断控制器），它支持管理24个中断。

IRQ Pin：中断引脚。PCI有4个中断引脚，该寄存器表明该设备连接的是哪个引脚。

Status：设备状态字，具体每个BIT的意义见下图4-3

Command：设备状态字，具体含义见图4-4

Base Address Registers：决定PCI/PCIE设备空间映射到系统空间具体位置的寄存器，映射方式有两种，分别是IO和Memory映射，具体解析见图4-5

▲图4-3 status解析图 ▲command解析图 ▲图4-5 BAR解析图

所有的PCIE终端设备在系统初始化后会在得到对应的配置空间信息，在SkyEye平台仿真也是如此。其中具体的配置信息需要手动设置，参考下图4-6。

一般需要配置的主要有设备对象指针obj，BDF，vendor_id和device_id，以及内存映射地址BAR和其映射长度，可以按照需要配置多个BAR空间。其余一些配置寄存器也可以手动设置，遵循Type0的配置空间格式，具体的配置空间信息可参考：《skyeye_dev_bus_intf.h》

需要注意地是，在设置配置空间信息的时候，必须在new阶段，这主要是由skyeye平台初始化顺序决定的。

▲图4-6 PCIE终端设备初始化配置空间

除去上面提到的64B空间外的其余的192个字节称为本地配置空间，主要定义卡上局部总线的特性、本地空间基地址及范围等。而PCIE总线则继承了PCI总线的前256字节外，即0x00~0xFF，还额外扩充到了4K的配置空间，即0x00~0xFFF，其扩展形式是通过一种称为Capability的寄存器块来完成的，下图是具体的布局。

▲图4-6 PCIE配置空间扩展结构图

在原来的配置空间中，有一个寄存器指定了第一个Capability的位置，而第一个Capability又指定下一个Capability，构成了一串Capability，具体如下图所示，由于Capability的作用各不相同，且目前SkyEye关于此功能设置还未完善，这里不再赘述。

▲图4-7 Capability寄存器关系图

05.PCIE的建模仿真

5.1注册接口

对PCIE终端设备进行建模，设备需要注册两个接口，分别是memory_space和pcie_config_intf，其中pcie_config_intf接口声明在文件《skyeye_dev_bus_intf.h》中，主要用来传送其配置信息，如下所示：

▲图5-1 PCIE终端设备接口注册

注册接口实现后，需要对配置空间信息进行设置，具体操作参考第四节的内容。

5.2 BAR内存空间读写

在上一节设置完BAR的地址信息后，就需要实现不同的BAR地址映射功能，而我们主要通过memory_space接口实现，参考如下结构，读写同理。

▲图5-2 PCIE终端设备BAR地址映射接口

需要注意的是，PCIE终端设备中的memory_space接口中的第二个参数addr代表实际的映射地址，与以往的代表地址偏移不同。