深入解析PCIe地址空间与寄存器机制：从地址映射到TLP生成的完整流程

发布于：2024-12-19 ⋅ 阅读:(15) ⋅ 点赞:(0)
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往期内容

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目录

1.地址空间和寄存器介绍

1.1 地址空间

从PCIe的角度来看，内部总线可寻址资源分为两个地址空间。也就是说，PCIe有两个地址空间。第一个专用于内部寄存器，第二个专用于远程设备。cpu发出的地址信息范围符合这两个地址空间的范围

  1. 内部寄存器
  • Client Register Set：地址范围 0xFD000000~0xFD7FFFFF，比如选择PCIe协议的版本(Gen1/Gen2)、电源控制等
  • Core Register Set ：地址范围 0xFD800000~0xFDFFFFFF，所谓核心寄存器就是用来进行设置地址映射的寄存器等
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  1. 远程设备
  • Region 0：0xF8000000~0xF9FFFFFF , 32MB，用于访问外接的PCIe设备的配置空间
  • Region 1：0xFA000000~0xFA0FFFFF，1MB，用于地址转换
  • Region 2：0xFA100000~0xFA1FFFFF，1MB，用于地址转换
  • ……
  • Region 32：0xFBF00000~0xFBFFFFFF，1MB，用于地址转换
  • 其中Region 0大小为32MB，Region1~31大小分别为1MB。
  • img

远程设备的映射，总大小为64
MB，基址为0xF8000000，共分为33个区域，以下方程式描述了如何选择0到32的区域。区域0由A[RW]ADDR[25]==0解码，区域大小为32M字节。当A[RW]ADDR[25]==1时，区域1至32（配置的区域数量）由区域x=A[RW]ADDR[24:20]+1解码：

  • Region 0：0xF8000000~0xF9FFFFFF，大小为32 MB。

  • Region 1 到 32：每个大小为1 MB，共32个区域。

  • 区域0通过 A[RW]ADDR[25] == 0 来选择，表示当 A[RW]ADDR 的第25位为0时，选择 Region 0，其大小为 32 MB。

  • 当 A[RW]ADDR[25] == 1 时，选择 Region 1 到 32，这些区域通过以下公式选择：

    • 区域 x = A[RW]ADDR[24:20] + 1

注意：A[RW]ADDR[25] 是地址信号的第 25 位, A[RW] 是区分读地址的信号还是写地址的信号

这些Region存在于PCIe控制器内部，并且是由控制器通过寄存器进行管理和配置的。

  • Region 的作用：

    • 每个 Region 代表了PCIe控制器中用于访问外部PCIe设备的一部分地址空间。
    • CPU发出的地址如果在某个 Region 内，那么这个地址会被映射到相应的PCIe外设上。

  • Region 是在 PCIe 控制器内部管理的：

    • 这些Region并不直接对应外设，而是PCIe控制器内部用来定义访问哪些外设，或者配置空间的一个机制。通过这些Region，PCIe控制器可以管理和调度外部PCIe设备的访问。
    • PCIe控制器通过寄存器（如ob_addr0, ob_desc0等）来描述和管理这些Region。寄存器会包含如何将主机的地址转换为PCIe TLP，以及如何访问外设。

  • 外部设备的配置空间：

    • 例如，Region 0 可能用于外部PCIe设备的配置空间，允许主机通过该Region访问PCIe设备的配置寄存器。
    • Region 1~32 可能用于外设的内存访问（例如设备的BAR空间）。

CPU访问Region 0的地址时，将会导致PCIe控制器发出读写配置空间的TLP。

CPU访问Region 1~32的地址时，将会导致PCIe控制器发出读写内存、IO空间的TLP。

1.2 寄存器介绍

CPU访问一个地址，导致PCIe控制器发出TLP。TLP里含有PCIe地址、其他信息。

这些寄存器必定涉及这2部分：

  • 地址转换：把CPU地址转换为PCIe地址
  • 提供TLP的其他信息

Region0、Region1~32，每个Region都有类似的寄存器。

一个Region，可以用于读写配置空间，可以用于读写内存空间、可以用于读写IO空间，还可以用于读写消息。

这由Region对应的寄存器决定。

每个Region都有一样寄存器，以Region 0为例，有6个寄存器：

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CPU访问某个Region时，它是想干嘛？

  • 读写配置空间、发出对应TLP？
  • 读写内存空间、发出对应TLP？
  • 读写IO空间、发出对应TLP？
  • 读写消息、发出对应TLP？

到底是发出哪种TLP，由Region对应的ob _desc0寄存器决定：

ob_desc0[3:0] 作用
1010 发出的TLP用于访问Type 0的配置空间
1011 发出的TLP用于访问Type 1的配置空间
0010 发出的TLP用于读写内存空间
0110 发出的TLP用于读写IO空间
1100 发出的TLP是"Normal Message"
1101 发出的TLP是"Vendor-Defined Message"

CPU访问某个Region时，最终都是要发出TLP，TLP的内容怎么确定？

  • 地址信息：ob_addr0/1把CPU地址转换为PCIe地址，提供TLP里面的地址信息
  • 其他信息：ob_desc0/1/2/3提供TLP的其他信息

注 – 配置空间和寄存器

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这提到的两个地址怎么不一样？

Region 0 的地址范围为 0xF8000000 ~ 0xF9FFFFFF，表示这是 32MB 的内存区域，用于访问外部 PCIe 设备的配置空间。这是地址空间，即主机通过 PCIe 总线访问外部设备时使用的实际物理地址。

而在寄存器表中提到的 Region 0 Outbound Config Registers，如
ob_addr0、ob_addr1 等，则是配置这些设备地址空间的控制寄存器。这个寄存器范围从 0x000
开始，表示这是主机内部的配置寄存器的偏移地址。它们在PCIe控制器内部，并用于设置 PCIe 控制器如何管理和访问这些设备的地址空间。

区别与联系：

  • Region 0 (0xF8000000 ~ 0xF9FFFFFF) 是外部设备的实际内存空间，主机可以通过这个范围访问连接的 PCIe 设备。
  • Outbound Config Registers（例如 ob_addr0, ob_addr1, ob_desc0 等）是用于配置和映射这个设备地址空间的控制寄存器。通过这些寄存器，可以指定设备如何响应主机的内存访问请求，或者主机如何通过这些配置寄存器访问PCIe设备。

配置流程：

  1. 配置阶段：

    • 主机首先通过控制器的配置寄存器（如 ob_addr0、ob_desc0 等）来设置如何映射外部设备的地址空间。这些寄存器通常位于PCIe控制器内部。
    • 通过这些寄存器，主机可以指定外部设备的基地址、大小、访问方式等信息。也就是说，主机通过这些寄存器告诉PCIe控制器：当我访问某个特定的地址区间时，我希望它指向某个PCIe设备。

  2. 访问阶段：

    • 一旦配置完成，主机就可以通过特定的地址空间（例如 0xF8000000 ~ 0xF9FFFFFF 这样的外部设备地址空间）访问外部PCIe设备。
    • 当主机试图访问这些地址空间时，PCIe控制器会根据配置寄存器中的设置，将这些访问请求转换并转发给实际的外部PCIe设备。

举例说明：

  • 配置阶段：主机通过 ob_addr0 等寄存器，将控制器配置空间的0xF8000000 （Region0）这一段内存映射到某个外部 PCIe 设备的寄存器或内存空间。例如，0xF8000000 可以映射到一个 PCIe
    网络卡的配置空间。
  • 访问阶段：当主机读取或写入 0xF8000000 这一地址时，实际上是在和这个 PCIe 网络卡进行通信。PCIe控制器负责将这个请求转发给外部设备，并将设备的响应返回给主机。

疑问： CPU发出地址信息，落在PCIe控制器对应的地址空间上，地址空间对应的（比如Region0）PCIe控制器中的寄存器根据region0中的信息去解析，然后寄存器就发出TLP到对应的PCIe外设，去设置/访问PCIe外设的配置空间（地址空间） ？？？

1. CPU发出地址请求：

CPU发出一个内存读写请求（可能是访问PCIe外设的配置空间或内存空间），该请求的地址落入了PCIe控制器的地址空间。例如，落在了提到的Region
0（用于PCIe设备的配置空间），设置了里面Region0空间里面的信息。

2. 地址请求到达PCIe控制器：

该地址请求进入了PCIe控制器。在PCIe控制器中，每个Region（如Region 0、Region
1等）通过对应的寄存器（例如ob_addr0、ob_desc0等）来解析这个请求，决定如何处理。

  • ob_addr0 和 ob_addr1 寄存器定义了CPU AXI地址如何映射到PCIe设备的地址空间。
  • desc0等描述符寄存器包含了如何生成PCIe TLP的具体信息，尤其是TLP头部的信息。

3. 寄存器生成TLP：

PCIe控制器通过这些寄存器，生成TLP（Transaction Layer
Packet）。TLP是PCIe协议中用于通信的基本单位，负责在主机和PCIe设备之间传递读写请求、配置请求等。

  • 例如，当CPU需要访问某个PCIe外设的配置空间时，PCIe控制器根据Region 0的寄存器配置，生成一个配置写或配置读的TLP。

4. TLP发送到PCIe外设：

生成的TLP包通过PCIe链路发送到目标PCIe设备。TLP包会包含地址、操作类型（读/写）、数据等信息。

5. PCIe外设接收并执行：

PCIe设备接收到TLP包后，会根据TLP中的地址和操作类型，执行相应的操作。例如：

  • 如果是写操作，PCIe设备会更新其配置空间或内存。
  • 如果是读操作，PCIe设备会返回读取的数据。

6. PCIe设备的响应：

如果是读请求，PCIe设备会返回相应的读响应TLP。PCIe控制器接收到这个响应后，会将结果转换为主机能够理解的形式，并返回给CPU。

大概：

  • CPU发出的请求首先到达PCIe控制器。
  • PCIe控制器通过配置寄存器（如ob_addr0、ob_desc0等）解析和生成TLP。
  • TLP发送到PCIe外设，执行相应的操作。
  • 最终，PCIe设备的响应（如数据读取）通过TLP返回给CPU。

在这个过程中，寄存器起到桥接CPU的地址请求和PCIe外设地址空间的作用。它们负责地址映射和生成正确的TLP，从而实现主机和PCIe设备的通信。

CPU去设置PCIe控制器的Region中的信息，PCIe控制器中的寄存器（肯定是需要先去设置好reg才行）去解析Region中的信息然后发出TPL

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PCIe设备内部的配置空间和寄存器的关系？？？

配置空间是PCIe设备中访问寄存器的一种机制和入口。它定义了设备的控制和状态寄存器的位置和访问方式。**可以把配置空间看作是设备寄存器访问的"目录"，而寄存器是具体的操作和状态信息。**寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件,它们可用来暂存指令、数据和地址。

  • 配置空间中的寄存器：在PCIe配置空间中，有专门的控制和状态寄存器，这些寄存器的内容定义了设备的行为。例如：

    • Command Register：用于启用或禁用I/O空间、内存空间、总线主设备等功能。
    • Status Register：反映设备的状态，例如中断、总线错误等。

  • 基址寄存器（BAR，Base Address Registers）：配置空间中的基址寄存器（BARs）定义了PCIe设备的寄存器（或内存）映射。它指定了设备的内存空间或I/O空间在系统地址空间中的位置。这些寄存器address告诉操作系统设备的寄存器或数据缓冲区在哪个地址范围，从而可以进行内存映射I/O（MMIO）或端口映射I/O操作。

    • 内存映射寄存器：通过配置空间中的BAR，设备的寄存器可以映射到系统的内存地址空间，主机可以通过对这些内存地址进行读写来操作设备的寄存器。

1.2.1 用于配置空间

CPU访问Region 0的地址时，将会导致PCIe控制器发出读写配置空间的TLP。

Region0一般用于读写配置空间，它对应的寄存器如下：

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1.2.2 用于内存和IO

CPU访问Region 1~32的地址时，将会导致PCIe控制器发出读写内存、IO空间的TLP。

而其寄存器如下：

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2.访问示例

2.1 配置空间读写

设置寄存器，才能去解析转化CPU地址信息

要读写设备的配置空间，首先要定位：Bus/Dev/Function/Reg：

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怎么发出这些"Bus/Dev/Function/Register"信息？如下图所示：

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当Region 0的寄存器ob_desc0[3:0]被配置为读写配置空间时， CPU发出Region 0的地址，地址里面隐含有这些信息：

  • Bus：cpu_addr[27:20]
  • Dev：cpu_addr[19:15]
  • Fun：cpu_addr[14:12]
  • Reg：cpu_addr[11:0]

使用过程步骤如下：

  1. 配置Region 0对应的ob_desc寄存器用于读写配置空间

通过设置寄存器ob_desc0来配置要发送的TLP的Header中的Fmt和Type字段，选择配置读/写还是IO读/写等。

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  1. 配置Region 0对应的地址转换寄存器ob_addr

比如我们可以设置bit[5:0]为27，意味着cpu_addr[27:0]这28条地址线都会传入TLP。

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  1. CPU读写Region 0的地址

Region 0的地址范围是：0xF8000000~0xF9FFFFFF。

CPU想访问这个设备：Bus=bus,Dev=dev,Fun=fun,Reg=reg，那么CPU读写这个地址即可：

0xF8000000 + (bus<<20) | (dev<<15) | (fun<<12) | (reg)

(bus<<20) | (dev<<15) | (fun<<12) | (reg)就可以组成cpu发出的addr_cpu

2.2 MEM/IO读写示例

设置寄存器，才能去解析转化CPU地址信息

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  1. 配置Region 1对应的ob_desc0寄存器用于内存读写

通过设置寄存器ob_desc0来配置要发送的TLP的Header中的Fmt和Type字段，选择配置读/写还是IO读/写等。

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  1. 配置Region 1对应的地址转换寄存器ob_addr0/1

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addr0、addr1寄存器里保存的是PCIe地址，也就是CPU发出这个Region的CPU地址后，将会转换为某个PCI地址。

怎么转换？由addr0、addr1决定。

Region 1的CPU地址范围是：0xFA000000~0xFA0FFFFF，是1M空间。

我们一般会让PCI地址等于CPU地址，所以这样设置：

  • addr0：

    • [5:0]等于19，表示CPU_ADDR[19:0]共20位地址传入TLP
    • [31:8]等于0xFA0000

  • addr1：设置为0

如上设置后，CPU读写地址时0xFA0???，就会转换为PCI地址：0xFA0???，转换过程如下：

pci_addr = cpu_addr[19:0] | (addr0[31:20] << 20) | (addr1<<32)
         = 0x????? + (0xFA0 << 20) | (0 << 32)
         = 0xFA0?????

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