初學 PCIe System (一) - PCIe介紹及其配置空間

第二部分在這：初學 PCIe System (二) - 如何訪問PCIe設備的配置空間

PCI Express 介紹

PCI Express (PCIe) 屬於第三代的高效能 I/O 匯流排，PCIe Spec對其的介紹是：

PCI Express is a high performance, general purpose I/O interconnect defined for a wide variety of future computing and communication platforms. 

PCI Express 為各種未來的計算和通信平台所定義的高性能、通用互連 I/O 。

因此一個PCIe 系統就是指由許多設備相互透過 PCIe 點對點連接所組成的。如下圖範例，其結構是大多是由一個Root Complex (RC)、多個Endpoints、Bridge和Switches所組成。

Root Complex (RC)：I/O 層次結構的根，負責將 CPU/Memory子系統連接至 I/O ，可視為一虛擬的PCIe Bus(Bus-0)。RC 比較偏向軟體的概念，在x86 架構伺服器上，硬體部分是由CPU和PCH所共同實現。

Switch：多個虛擬 PCI-to-PCI 橋設備的邏輯組合

Endpoints：指一種Function 類型，可作為 PCIe 交易(Transaction)的請求者(Requester)或完成者(Completer)。

*Transaction 中文我一直不知道怎麼翻譯會比較好，在電腦科學中，訊息傳送通常是點對點的，傳送端和接收端的一次完整訊息溝通，包含了事前握手、訊息交換、和結束溝通，整個過程就稱之為Transaction。 

系統在上電之後，會透過深度優先演算法(DFS)去掃描目前系統上有哪些PCIe Device，並為他們定址。PCIe Device的地址是由兩個byte，並分為三個部分所組成的：

Bus Number(8 bits) ：PCI Express 將邏輯 PCI 總線編號映射到 PCI Express Link

Device Number(5 bits) ： 對於非 ARI 設備，PCI Express 組件僅限於在其主接口（上行端口）上實現單個設備編號

Function Number(3 bits) ：PCI 被允許在該設備編號內實現多達八個獨立的功能

因此一個PCIe Device的地址 = bus << 8 | dev << 5 | func

PCIe 配置空間 (PCIe Configuration Space)

PCIe Spec中定義：每個PCIe Function都有 4096 Byte 的配置空間(Configuration Space)。前256 Bytes 是和 PCI 兼容的空間，剩餘的為PCIe 擴展配置空間(Extended Configuration Space)。其中前 256 Bytes PCI 兼容的空間是為software-driven的初始化和配置提供的，通常可以透過I/O Programming 或是 Direct Memory Access (DMA) 訪問。

另外，在offset 0x00-0x3F的空間為Header(藍色框部分), 他的內容格式可分為type 0 和 type 1兩種，上色部分為他們共同的部分

Type 0 主要為Endpoints，例如PCI Express Endpoint、Legacy PCI Express Endpoint、RCiEP、Root Complex Event Collector

Type 1主要為Root Complex、Switch和Bridge

我們可以透過訪問Configuration Space Header得到許多重要的資訊，例如：

Vendor ID Register (Offset 00h)：Vendor ID是 HwInit，標示函數的製造商，可以從Member Companies | PCI-SIG (pcisig.com) 輸入ID查找製造商

Device ID Register (Offset 02h)：Device ID 是 HwInit，標示函數的功能。Device ID 與Vendor ID 和Revision ID 一起用作應加載哪個驅動程序的一種機制。

Command Register (Offset 04h)：Individual bits in the Command Register may or may not be implemented depending on the feature set supported by the Function.

Status Register (Offset 06h)：Functions may not need to implement all bits, depending on the feature set supported by the Function.

Revision ID Register (Offset 08h) ：Revision ID 是 HwInit。Device ID 與Vendor ID 和Revision ID 一起用作應加載哪個驅動程序的一種機制。

Class Code Register (Offset 09h)：是read-only的，用於標示Function的通用操作。由三個Byte組成：

Class Code 需要另外對照PCI-Code-and-ID 這份Spec，這邊用DMTF  Redfish Resource and Schema Guide (dmtf.org) 中的範例來解釋，這邊第三個Byte-Base Class Code為0x02，因此這個Function是一個NetworkController

Header Type Register (Offset 0Eh)：標示設備是否可能包含多個功能。 

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以上就是PCIe Configuration Space Header 的資訊內容大概，至於如何訪問，會在第二部分介紹