PCIe从入门到精通
PCIe 从入门到精通之七：PCIe 设备的配置空间简介
0. 引言
在上一篇文章《PCIe 从入门到精通之六：PCIe 数据包 packet 的神奇之旅》中，我们介绍了 PCIe 数据包如何在各层中传输的。在这一篇文章中我们继续介绍 PCIe 设备的配置空间。
所有 PCIe 主题的文章都会收录在《深入浅出聊 PCIe》合集里，欢迎评阅。
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1. PCIe 设备内的组件（温故而知新）
下图是我们在前面的章节里面用到的 PCIe 体系内的组件图，我们再次把它拿出来重新温习一遍。
1.1 PCIe 三大设备
| 设备类型 | 包含组件 |
|---|---|
| Root Complex | Host Bridge、PCI-PCI Bridge、Root Port、RCiEP、RCEC |
| Switch | PCI-PCI Bridge、Upstream Port、Downstream Port |
| Endpoint | Upstream Port |
每个 PCIe Link 都源自一个逻辑的 PCI-PCI Bridge，并被映射到配置空间中，作为该 PCI-PCI Bridge 的 secondary bus（如下图中的蓝色箭头）。
1.2 Root Port 结构
如下图所示，Root Port 是一种 PCI-PCI 桥接器结构，它从 PCI Express Root Complex 产生一条 PCIe Link。
1.3 Root Complex Register Block（Optional）
1.4 Switch 内部结构
如下图所示，PCIe Switch 由多个 PCI-PCI Bridge 组成，这些 PCI-PCI Bridge 将 PCIe Link 连接到 Switch 的 Internal Logic PCIe Bus。
- Switch 上游端口：是一种 PCI-PCI Bridge，该 PCI-PCI Bridge 的 secondary bus 代表 Switch 的内部路由逻辑
- Switch 下游端口：也是一种 PCI-PCI Bridge，负责将 Switch 的 Internal Logic PCIe Bus 连接外部的 PCIe Bus
只有代表 Switch 下游端口的 PCI-PCI Bridge 才可能出现在 internal bus 上。
2. 哪些 PCIe 组件有配置空间（Configuration Space）？
为了与 PCI 软件配置机制保持兼容性，所有 PCIe 组件除了具有与 PCI 兼容的配置空间（256 字节）之外，还具有 PCIe 设备特有的扩展配置空间。
以下 PCIe 设备的组件都有 PCIe 配置空间：
| 设备类型 | 包含配置空间的组件 |
|---|---|
| Root Complex | Host Bridge、RCiEP、RCEC、PCI-PCI Bridge with Root Port |
| Switch | PCI-PCI Bridge with Upstream Port、PCI-PCI Bridge with Downstream Port |
| Endpoint | Upstream Port（Endpoint device 可能包含多达 8 个 function，每个 function 都有一个 PCIe 配置空间） |
3. PCIe 配置空间（Configuration Space）的结构
PCI Express 配置空间被划分为：
- PCI 兼容配置空间（PCI Compatible Configuration Space）
- PCIe 扩展配置空间（PCIe Extended Configuration Space）
| 区域 | 地址范围 | 大小 |
|---|---|---|
| PCI 兼容配置空间 | Byte 0h ~ FFh | 256 字节 |
| PCIe 扩展配置空间 | Byte 100h ~ FFFh | 3840 字节（总计 4KB） |
3.1 PCI 兼容配置空间（0h ~ FFh）
| 地址范围 | 内容 |
|---|---|
| 0h ~ 3Fh | PCI Header（设备基本信息） |
| 40h ~ FFh | PCIe Capability Structure（设备具备的能力） |
3.2 PCIe 扩展配置空间（100h ~ FFFh）
全部存放的是 PCIe Extended Parameters and Capability Structure。
Capability Structure 占有配置空间的大部分 size，device 通过 Capability Structure 告诉 Host 它有哪些本领、它有多强大，以便以后为 Host 工作时多要些筹码、多加点工资。
4. 如何访问 PCIe 配置空间？
4.1 PCI-compatible Configuration Access Mechanism（CAM）
在 PCI Local Bus Specification Revision 3.0 规范中，通过 IO 端口 CONFIG_ADDRESS（CF8h） 和 CONFIG_DATA（CFCh） 访问 PCI 兼容的配置空间（00h ~ FFh）。
⚠️ 注意：这种方式不能用来访问 PCI Express 扩展配置空间（100h ~ FFFh）。
4.2 PCI Express Enhanced Configuration Access Mechanism（ECAM）
所有的 PCIe 配置空间的寄存器都会被映射到标准的 Memory Space 中（flat memory-mapped address space）。只要找到它们在 Memory Space 里的地址，就可以通过对 Memory Space 的直接访问转化成对 PCIe 配置空间的访问。
ECAM 特点：
- 采用平坦的内存映射地址空间来访问设备配置寄存器
- 内存地址决定了所访问的配置寄存器
- 内存数据（写入操作）会进行更新，或（读取操作）会返回所访问寄存器的内容
- 既可以访问 PCI 兼容配置空间，也可以访问 PCIe 扩展配置空间
这两种访问 PCIe 配置空间的方式将在后面的专门章节详细介绍。
5. 总结
- 每个 PCI-PCI Bridge 的下游都连接一个 PCIe Bus
- 每个 PCIe 组件都位于特定的 PCIe Bus 上，并拥有自己的 PCIe 配置空间
- PCIe 配置空间的访问方式有两种：
- PCI-compatible Configuration Mechanism（CAM）
- PCI Express Enhanced Configuration Access Mechanism（ECAM）
6. 抛砖引玉
PCIe 设备的配置空间都一模一样，它们都被映射到内存空间（Memory Space）。那么：
- 软件是怎么区分访问的内存是哪个设备？
- 或者软件需要访问某个设备时是怎么指向这个特定的设备？
下一章我们将详细讲解 PCIe 设备的身份证 ID。
敬请关注下一篇：
《PCIe 从入门到精通之八：PCIe 设备的身份证 ID》
