Linux ARM平台开发系列讲解（PCIE） 2.13.5 PCIE的配置过程

1. 概述

前两节介绍了PCI访问桥设备和非桥设备的方法，本节就讲述PCIE的配置过程

2. TLP事务层格式

2.1 Posted和Non-Posted

PCI总线规定了两类数据传送方式，分别是Posted和Non-Posted数据传送方式。其中使用Posted数据传送方式的总线事务也被称为Posted总线事务；而使用Non-Posted数据传送方式的总线事务也被称为Non-Posted总线事务。

其中Posted总线事务指PCI主设备向PCI目标设备进行数据传递时，当数据到达PCI桥后，即由PCI桥接管来自上游总线的总线事务，并将其转发到下游总线。采用这种数据传送方式，在数据还没有到达最终的目的地之前，PCI总线就可以结束当前总线事务，从而在一定程度上解决了PCI总线的拥塞。

而Non-Posted总线事务是指PCI主设备向PCI目标设备进行数据传递时，数据必须到达最终目的地之后，才能结束当前总线事务的一种数据传递方式。

由以上可以发现，Posted数据请求在通过PCI总线之后，将逐级释放总线资源，因此PCI总线的利用率较高。而使用Non-Posted方式进行数据传送的处理过程与此不同，Non-Posted数据请求在通过PCI总线时，并不会及时释放总线资源，从而在某种程度上影响PCI总线的使用效率和传送带宽。

2.2 TLP通用格式

• 下图为TLP格式组成：
  
  
• TLP Header 组成及其包内的Fmt和Type解释如下：
  

• 类型（Type）：读写内存、读写IO、读写配置 ，存放于Header里；
• 地址：对于内存读写、IO读写，地址保存在Header里
• Bus/Dev/Function/Regiser：对于配置读写，这些信息保存在Header里
• 数据：对于内存读、IO读、配置读，先发出请求，再得到数据
  • 分为2个阶段：读请求报文、完成报文
  • 读请求报文：不含数据
  • 完成报文：含数据

3. PCIe配置过程

3.1 PCIe设备的访问的访问方法

• 通常如下图，在CPU通过addr_cpu地址访问到PCIE控制器，PCIE控制器再通过addr_pcie地址去访问PCIE桥设备，PCIE桥设备再通过各自端口分配的地址去访问外挂的PCIE设备，但是，这是在PCIE配置初始化后的访问方式，在没有初始化的时候，是如何访问的呢？接下来会展开讲解。
  

3.2 配置与RC直连的设备

• RC（Root Complex）本身就是一个桥，要去访问跟桥直接相连的设备，用CfgRd0类型的TLP
• Fmt和Type取值为0b00, 0b00100，表示：Configuration Read Type 0
• TLP中设置有"Bus/Device/Funciton/Register"
• 提问：上图红圈中是设备，怎么知道它自己的Bus号是0，Device分别是0、1、2？
  • 红圈中的设备都是在RC内部，它们的Device号是硬件里写死的(hard-coded)
  • 当这些设备监测到Bus0上的TLP是CfgRd0后，忽略TLP中的Bus，比对TLP中的Device
  • 如果Device吻合，就回应TLP

4. PCIe配置示例

4.1 PCIe设备的配置寄存器

• PCI/PCIe设备、桥，它们的配置寄存器前面若干字节格式是一样的，可以从里面的"Header Type"分辨：
  • 它是普通设备，还是桥
  • 它是单功能设备，还是多功能设备：所谓功能，就是Function，一个物理设备可以有多个功能，也就有多个逻辑设备

• 一般的PCI/PCIe设备，它的配置寄存器格式如上上图的"Type 0 Header"，在PCIe系统中这类设备被称为Endpoint。PCI/PCIe桥，它的配置寄存器格式如上上图的"Type 1 Header"，对于PCI/PCIe桥，里面的由三项重要的总线号：
  

  • Pirmary Bus Number：上游总线号
  • Secondary Bus Number：自己的总线号
  • Subordinate Bus Number：下游总线号的最大数值

这些总线号示例如下：

• 在Type Header里面有个Type参数，他就是设置PCI的访问方式，前几章节也提到过，这里针对PCIE再展开分析。

• Type 0 Configuration Request
  如果要配置的设备，就在当前总线上，即目标设备的Bus号等于当前桥的Secondary Bus Number，那么在当前总线(即Secondary Bus Number)上传输的就是"Type 0 Configuration Request"： TLP格式如下图所示， Type0 不会穿过桥，直接访问设备。

• Type 1 Configuration Request
  如果要配置的设备，不在当前总线上，但是在它下面的总线上，即：
  ①目标设备的Bus号大于当前桥的Secondary Bus Number，②目标设备的Bus号小于或等于当前桥的Subordinate Bus Number，那么在当前总线(即Secondary Bus Number)上传输的就是"Type 1 Configuration Request"：TLP格式如下图所示，Type1设备会穿过桥，到达设备时，跟设备直接连接的桥会把它转换为"Type 0 Configuration Request"

4.1 配置过程示例

4.1.1 硬件拓扑结构

以下图中的设备的配置过程为例，给大家做示范。

4.1.2 配置过程演示

下文中BDF表示Bus,Device,Function，用这三个数值来表示设备。

1. 软件设置Host/PCI Bridge的Secondary Bus Number为0，Subordinate Bus Number为255(先设置为最大，后面再改)。
2. 从Bus 0开始扫描：先尝试读到BDF(0,0,0)设备的Vendor ID，如果不成功表示没有这个设备，就尝试下一个设备BDF(0,1,0)。一个桥下最多可以直接连接32个设备，所以会尝试32次：Device号从0到31。注意：在Host/PCI Bridge中，这些设备的Device号是硬件写死的。
3. 步骤2读取BDF(0,0,0)设备(即使图中的A)时，发现它的Header Type是01h，表示它是一个桥、单功能设备
4. 发现了设备A是一个桥，配置它：
   • Primary Bus Number Register = 0：它的上游总线是Bus0
   • Secondary Bus Number Register = 1：从它发出的总线是Bus1
   • Subordinate Bus Number Register = 255：先设置为最大，后面再改
5. 因为发现了桥A，执行"深度优先"的配置过程：先去枚举A下面的设备，再回来枚举跟A同级的B
6. 软件读取BDF(1,0,0)设备(就是设备C)的Vendor ID，成功得到Vendor ID，表示这个设备存在。
7. 它的Header Type是01h，表示这是一个桥、单功能设备。
8. 配置桥C：
   • Primary Bus Number Register = 1：它的上游总线是Bus 1
   • Secondary Bus Number Register = 2：从它发出的总线是Bus 2
   • Subordinate Bus Number Register = 255：先设置为最大，后面再改
9. 继续从桥C执行"深度优先"的配置过程，枚举Bus 2下的设备，从BDF(2,0,0)开始
10. 读取BDF(2,0,0)设备(就是设备D)的Vendor ID，成功得到Vendor ID，表示这个设备存在。
11. 它的Header Type是01h，表示这是一个桥、单功能设备。
12. 配置桥D：
    • Primary Bus Number Register = 2：它的上游总线是Bus 2
    • Secondary Bus Number Register = 3：从它发出的总线是Bus 3
    • Subordinate Bus Number Register = 255：先设置为最大，后面再改
13. 继续从桥D执行"深度优先"的配置过程，枚举Bus 2下的设备，从BDF(3,0,0)开始
14. 读取BDF(3,0,0)设备的Vendor ID，成功得到Vendor ID，表示这个设备存在。
15. 它的Header Type是80h，表示这是一个Endpoing、多功能设备。
16. 软件枚举这个设备的所有8个功能，发现它有Function0、1
17. 软件继续枚举Bus 3上其他设备(Device号1~31)，没发现更多设备
18. 现在已经扫描完桥D即Bus 3下的所有设备，它下面没有桥，所以桥D的Subordinate Bus Number等于3。扫描完Bus 3后，回退到上一级Bus 2，继续扫描其他设备，从BDF(2,1,0)开始，就是开始扫描设备E。
19. 读取BDF(2,1,0)设备(就是设备E)的Vendor ID，成功得到Vendor ID，表示这个设备存在。
20. 它的Header Type是01h，表示这是一个桥、单功能设备。
21. 配置桥E：
    • Primary Bus Number Register = 2：它的上游总线是Bus 2
    • Secondary Bus Number Register = 4：从它发出的总线是Bus 4
    • Subordinate Bus Number Register = 255：先设置为最大，后面再改
22. 继续从桥D执行"深度优先"的配置过程，枚举Bus 4下的设备，从BDF(4,0,0)开始
23. 读取BDF(4,0,0)设备的Vendor ID，成功得到Vendor ID，表示这个设备存在。
24. 它的Header Type是00h，表示这是一个Endpoing、单功能设备。
25. 软件继续枚举Bus 4上其他设备(Device号1~31)，没发现更多设备
26. 已经枚举完设备E即Bus 4下的所有设备了，更新设备E的Subordinate Bus Number为4。然后继续扫描设备E的同级设备：Bus=2，Device从2到31，发现Bus 2上没有这些设备。
27. 软件更新设备C即Bus 2的桥，把它的Subordinate Bus Number设置为4。然后继续扫描设备C的同级设备：Bus=1，Device从1到31，发现Bus 1上没有这些设备。
28. 软件更新设备A即Bus 1的桥，把它的Subordinate Bus Number设置为4。然后继续扫描设备A的同级设备：Bus=0，Device从1到31，发现Bus 0上的设备B。
29. 配置桥B：
    • Primary Bus Number Register = 0：它的上游总线是Bus 0
    • Secondary Bus Number Register = 5：从它发出的总线是Bus 5
    • Subordinate Bus Number Register = 255：先设置为最大，后面再改
30. 再从桥B开始，执行"深度优先"的配置过程。

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