PCIe网卡驱动实现分析（一）--- PCIe基础知识_pcie 通过驱动 通信

pcie基础知识

1、物理链路

2、PCIe数据通信方式

3、链路训练

4、总线拓扑结构

5、PCIe设备地址空间管理

6、设备枚举

一、物理链路

　　区别于PCI的共享总线方式，PCIe链路使用“端到端的数据传送方式”，发送端和接收端中都含有TX（发送逻辑）和RX（接受逻辑）；TX是由TX（+）和TX（-）组成的差分信号，RX是由RX（+）和RX（-）组成的另一组差分信号，这两组差分信号构成一个数据通路（Lane），又叫做x1宽度的PCIe链路；PCIe链路可以由多条Lane组成（x1、x2、x4...x32），Lane越多，速率越高；

　　PCIe总线物理链路间的数据传送使用基于时钟的同步传送机制，但是物理链路上并没有时钟线，PCIe总线的接收端含有时钟恢复模块CDR，CDR从接收报文中提取接收时钟，从而进行同步数据传递，PCIe设备进行链路训练时将完成时钟提取工作。

　　PCIe版本越高，总线速率越快，主要区别在于编码方式不同；

二、PCIe数据通信方式

　　类似以太网数据包通信方式，PCIe数据传输协议也使用分层模型；分为事务层、数据链路层以及物理层；

　　事务层：

　　事务层是PCIe总线层次的最高层，该层接收PCIe设备核心层的数据请求，转换为PCIe总线事务，这些总线事务使用的数据包叫做TLP，包括存储器读写、I/O读写、配置读写、Message、原子操作等总线事务，总线事务通过TLP头部中的字段区分；不同的事务使用的路由方式不同，比如配置空间的读写事务采用ID路由方式、BAR空间的读写事务采用地址路由方式、存储器读写事务也使用地址路由方式、但是MSI/MSI-x中断消息报文使用隐式路由方式；不同事务传送方式也不同，存储器写TLP使用Posted方式进行传送、其他总线事务使用Non-Posted方式（发送后需要等待对端回应，并且等待期间一直占用总线使用权）；可以通过设置TLP头部的相关字段改变TLP的相关功能，比如与QOS相关的，可以设置TC字段使用不同优先级的TC传送报文，通过设置Attr字段决定是否进行Cache一致性处理，如果为0，那么需要硬件支持进行Cache一致性处理，如果为1，那么硬件不参与Cache一致性处理，就需要软件保证Cache一致性；

　　数据链路层：

　　数据链路层处于事务层和物理层之间，数据链路层主要功能是保证来自事务层的TLP在PCIe链路中的正确传递，为此数据链路层定义了一系列数据链路层报文，即DLLP；数据链路层使用ACK/NAK协议发送和接收TLP，保证数据报文正确传递；数据链路层通过物理层监控PCIe链路的状态，并维护数据链路层的“控制与管理状态机”DLCMSM，当状态机变化时，向事务层通知PCIe的链路状态；

　　物理层：

　　物理层由物理层逻辑模块和物理层电气模块组成，包括数据编码、链路训练等内容；

三、链路训练

　　PCIe总线进行链路训练的主要目的是初始化PCIe链路的物理层、端口配置信息、相应的链路状态，并了解链路对端的拓扑结构；链路训练由芯片内部逻辑实现，软件无法干预，链路训练会进行速率协商，确定两端所能支持的最高速率，同步时钟也是在链路训练的报文中恢复出来的，链路训练完成后，PCIe设备才可正常通信；

　　设备从低功耗返回到正常工作模式，或者PCIe链路出现某些错误时，PCIe链路也需要重新进行训练；

　　PCIe总线在进行链路训练时，使用LTSSM状态机标识设备状态；

　　共有11个状态，常用的状态是Detect、Polling、Configuration和L0；

　　Detect状态：LTSSM的初始状态，当PCIe链路被复位或者数据链路层通过填写某些寄存器后，LTSSM将进入该状态；

　　Polling状态：PCIe链路处于该状态时，将进行Loopback测试，确定当前使用的PCIe链路可以正常工作；

　　Configuration状态：当PCIe进入该状态时，将确定PCIe链路的宽度、Link Number、Lane reversal、Polarity inversion和Lane-to-Lane的延时；

　　L0状态：PCIe链路的正常工作状态。

四、总线拓扑结构

　　如上图所示，PCIe总线使用树型拓扑结构组织PCIe总线上的所有设备；

　　以RC（Root Complex）作为树根，在现代处理器系统中，RC的设计异常复杂，并且不同处理器系统的RC设计并不相同，比如x86处理器的RC里面集成了HOST主桥、多个桥设备、存储器控制器等一系列与外部设备有关的接口；虽然各处理器的RC设计不同，但是就PCIe的功能来说是一样的，用于连接PCIe总线和系统总线，主要完成两个功能：存储器域到PCIe总线域的地址转换、物理信号的转换；

　　基于PCIe串行差分物理链路的特点，一条PCIe链路只允许两个PCIe设备通信，因此当需要扩展链路时，需要使用switch，如下图所示，一个switch由一个上游桥设备和多个下游桥设备构成，每个桥设备出一个外接端口，可以扩展出一条PCIe链路；RC内部也有类似的结构，包括一个主桥和多个桥设备，RC中的桥设备又叫做RP；

　　EP是各类PCIe设备，是树型拓扑结构的叶子节点，无法用于拓展PCIe总线。

五、PCIe设备地址空间管理

　　PCIe设备和系统总线是使用HOST主桥隔离开的，PCIe设备所在的空间叫PCI域地址空间，CPU能直接通过系统总线访问的空间叫存储器域地址空间，CPU需要通过HOST主桥下发PCIe总线事务报文去访问PCIe设备；PCIe设备可操作空间包括配置空间和BAR空间；PCIe设备数据访问主要包括：读写PCIe设备配置空间、读写PCIe设备BAR空间、PCIe设备使用DMA读写主存储器空间；

　　PCIe和PCI一样有一段64字节的基本配置空间，地址访问是0x00~0x3F，还扩展了0x40~0xFF这段配置空间，主要用于存放MSI或者MSI-X中断机制和电源管理相关的Capability结构，0x00~0xFF这段配置空间的访问是CPU通过读写HOST主桥里面的CONFIG_ADDRESS和CONFIG_DATA寄存器，让HOST主桥下发配置读写请求报文去访问的，这个报文使用ID路由方式；PCIe设备还支持0x100~0xFFF这段扩展配置空间，最大为4KB用于存放PCIe设备独有的一些Capability结构，这段空间使用ECAM方式访问，ECAM方式就是将这段空间映射到存储器空间，和BAR空间一样，通过读写存储器空间的地址让HOST主桥下发报文去访问，这些报文使用地址路由方式；

　　桥设备配置空间：

　　EP设备配置空间：

　　对于BAR空间，BAR空间的地址在存储器空间有与之对应的物理地址，当CPU读写这段物理地址时，HOST主桥就会接收这个读写请求，然后下发PCIe总线事务去访问PCIe设备的BAR空间，这些报文使用地址路由方式；不同的处理器系统，BAR空间和存储器空间地址转换方式不一致：

　　比如x86处理器，BAR空间的地址和存储器域空间的地址是一样的，也就是CPU直接读写BAR空间的地址就可以触发HOST下发PCIe总线事务；

　　PowerPC处理器使用Outbound寄存器组实现存储器域到PCI总线域的转换，使用Inbound寄存器组实现PCI总线域到存储器域的转换；

　　Outbound寄存器组：PORTARn和PORTEARn寄存器中保存当前Outbound窗口在PCI域中的64位地址空间的基地址，POWBARn寄存器保存当前Outbound窗口在存储器域中的36位地址空间的基地址，POWARn寄存器描述Outbound窗口的属性（包括窗口使能、地址空间大小等）；

　　Inbound寄存器组：PITARn寄存器保存当前Inbound窗口在存储器域中的36位地址空间的基地址，PIWBARn和PIWBEARn寄存器保存当前Inbound窗口在PCI总线域中的64位地址空间的基地址，PIWARn寄存器描述当前Inbound窗口的属性（包括窗口使能、地址空间大小等）；

六、设备枚举

　　PCIe总线树中各个总线、桥设备、EP设备（里面可以有多个function）都有唯一的标识符，这个标识符就是BDF（BUS号、设备号、功能号）；其中BUS号是在设备枚举过程中由软件分配的，设备号和功能号是硬件决定的；

　　设备枚举是纯软件流程，linux内核已经实现，这个过程会做很多工作；比如，枚举过程会按照深度优先的搜索方式分配总线号、配置桥设备和EP设备，然后对每个EP设备会创建pci_dev设备结构体，这样后续对应的pci_driver驱动注册时，通过Device ID匹配到pci_dev就会调用probe函数进行初始化工作；对于EP设备，在枚举时会给EP设备分配BAR空间，并将BAR空间的基地址写入配置空间寄存器Base Address Registers；对于桥设备，会将当前桥所在的BUS号写入Primary Bus Number寄存器，将桥下挂链路BUS号写入Secondary Bus Number寄存器，将桥下挂链路最大的BUS号写入Subordinate BUS Number寄存器，并且将桥下挂设备所需的BAR空间基地址和大小写入Memory Base和Memory Limit寄存器。