原著: David A Rusling
翻译: Banyan & fifa
第六章 PCI
外围设备互连(PCI)是一种将系统中外部设备以结构化与可控制方式连接到起来的总线标准，包括系统部件连接的电气特性及行为。本章将详细讨论Linux核心对系统中的PCI总线与设备的初始化过程。
图6.1 一个基于PCI的系统示意图
图6.1是一个基于PCI的系统示意图。PCI总线和PCI-PCI桥接器在连接系统中设备到上起关键作用，在这个系统中CPU和视频设备被连到PCI bus 0上，它是系统中的主干PCI总线。而PCI-PCI桥接器这个特殊PCI设备将主干总线PCI bus 0与下级总线PCI bus 1连接到一起。PCI标准术语中，PCI bus 1是PCI-PCI桥接器的downstream而PCI bus 0是此桥接器的up-stream。SCSI和以太网设备通过二级PCI总线连接到这个系统中。而在物理实现上，桥接器和二级PCI总线被集成到一块PCI卡上。而PCI-ISA桥接器用来支持古老的ISA设备，图中有一个高级I/O控制芯片来控制键盘、鼠标及软盘设备。
6.1 PCI地址空间
CPU和PCI设备需要存取在它们之间共享的内存空间。这块内存区域被设备驱动用来控制PCI设备并在CPU与PCI设备之间传递信息。最典型的共享内存包括设备的控制与状态寄存器。这些寄存器用来控制设备并读取其 信息。例如PCI SCSI设备驱动可以通过读取其状态寄存器，找出已准备好将一块数据写入SCSI磁盘的SCSI设备。同时还可以在设备加电后，通过对控制寄存器写入信息来启动设备。
CPU的系统内存可以被用作这种共享内存，但是如果采用这种方式，则每次PCI设备访问此内存块时，CPU将被迫停止工作以等待PCI设备完成此操作。这种方式将共享内存限制成每次只允许一个系统设备访问。该策略会大大降低系统性能。但如果允许系统外设不受限制地访问主存也不是好办法。它的危险之处在于一个有恶意行为的设备将使整个系统置于不稳定状态。
外设有其自身的内存空间。CPU可以自由存取此空间，但设备对系统主存的访问将处于DMA（直接内存访问）通道的严格控制下。ISA设备需要存取两个地址空间：ISA I/O（输入输出）和ISA内存。而PCI设备需要访问三种地址空间：PCI I/O、PCI内存和PCI配置空间。CPU则可以访问所有这些地址空间。PCI I/O和 PCI内存由设备驱动程序使用而PCI配置空间被Linux 核心中的PCI初始化代码使用。
Alpha AXP处理器并不能象访问系统地址空间那样随意访问这些地址空间，它只能通过辅助芯片组来存取这些 地址空间，如PCI配置空间。Alpha AXP处理器使用稀疏地址映射策略来从系统巨大的虚拟内存中"窃取"一部分并将其映射到PCI地址空间。
6.2 PCI 配置头
图6.2 PCI配置头
系统中每个PCI设备，包括PCI-PCI桥接器在内，都有一个配置数据结构，它通常位于PCI配置地址空间中。PCI配置头允许系统来标识与控制设备。配置头在PCI配置空间的位置取决于系统中PCI设备的拓扑结构。例如将一个PCI视频卡插入不同的PCI槽，其配置头位置会变化。但对系统没什么影响，系统将找到每个PCI设备与桥接器并使用它们配置头中的信息来配置其寄存器。
典型的办法是用PCI槽相对主板的位置来决定其PCI配置头在配置空间中的偏移。比如主板中的第一个PCI槽的PCI配置头位于配置空间偏移0处，而第二个则位于偏移256处（所有PCI配置头长度都相等，为256字节），其它槽可以由此类推。系统还将提供一种硬件相关机制以便PCI设置代码能正确的辨认出对应PCI总线上所有存在的设备的PCI配置头。通过PCI配置头中的某些域来判断哪些设备存在及哪些设备不存在（这个域叫厂商标志域: Vendor Identification field）。对空PCI槽中这个域的读操作将得到一个值为0xFFFFFFFF的错误信息。
图6.2给出了256字节PCI配置头的结构，它包含以下域：
厂商标识(Vendor Identification)
用来唯一标识PCI设备生产厂家的数值。Digital的PCI厂商标识为0x1011而Intel的为0x8086。
设备标识(Device Identification)
用来唯一标识设备的数值。Digital 21141快速以太设备的设备标识为0x0009。
状态(Status)
此域提供PCI标准定义中此设备的状态信息。
命令(Command)
通过对此域的写可以控制此设备，如允许设备访问PCI I/O内存。
分类代码(Class Code)
此域标识本设备的类型。对于每种类型的视频，SCSI等设备都有标准的分类代码。如SCSI设备分类代码为0x0100。
基地址寄存器(Base Address Registers)
这些寄存器用来决定和分配此设备可以使用的PCI I/O与PCI内存空间的类型，数量及位置。
中断引脚(Interrupt Pin)
PCI卡上的四个物理引脚可以将中断信号从插卡上带到PCI总线上。这四个引脚标准的标记分别为A、B、C及D。中断引脚域描叙此PCI设备使用的引脚号。通常特定设备都是采用硬连接方式。这也是系统启动时，设备总使用相同中断引脚的原因。中断处理子系统用它来管理来自该设备的中断。
中断连线(Interrupt Line)
本设备配置头中的中断连线域用来在PCI初始化代码、设备驱动以及Linux中断处理子系统间传递中断处理过程。虽然本域中记录的这个数值对于设备驱动毫无意义。但是它可以将中断处理过程从PCI卡上正确路由到Linux操作系统中相应的设备驱动中断处理代码中。在interrupt一章中将详细描叙Linux中断处理过程。
6.3 PCI I/O和PCI内存地址
这两个地址空间用来实现PCI设备和Linux核心中设备驱动程序之间的通讯。例如DEC21141快速以太网设备的内部寄存器被映射到PIC I/O空间上时，其对应的Linux设备驱动可以通过对这些寄存器的读写来控制此设备。PCI视频卡通常使用大量的PCI内存空间来存储视频信息。
在PCI系统建立并通过用PCI配置头中的命令域来打开这些地址空间前，系统决不允许对它们进行存取。值得注意的是只有PCI配置代码读取和写入PCI配置空间，Linux设备驱动只读写PCI I/O和PCI内存地址。
6.4 PCI-ISA 桥接器
这种桥接器通过将PCI I/O和PCI内存空间的存取转换成对ISA I/O和ISA内存的存取来支持古老的ISA设备。市场上许多主板中同时包含几个ISA总线槽和PCI槽。但今后对ISA设备的向后兼容支持将逐渐减弱，最终主板上只会有PCI槽。早期的Intel 8080 PC就将ISA设备的ISA地址空间固定了下来。即使在价值5000美圆的Alpha AXP 系统中其ISA软盘控制器地址也和最早IBM PC上的相同。PCI标准将PCI I/O和PCI内存的低端部分保留给系统中的ISA外设，另外还使用PCI-ISA桥接器实现从PCI内存访问到ISA内存访问的转换。
6.5 PCI-PCI 桥接器
PCI-PCI桥接器是一种将系统中所有PCI总线连接起来的特殊PCI设备。在简单系统中只存在一条PCI总线，由于受电气特性的限制，它所连接的PCI设备个数有限。引入PCI-PCI桥接器后系统可以使用更多的PCI设备。对于高性能服务器这是非常重要的。Linux提供了对PCI-PCI桥接器的全面支持。
6.5.1 PCI-PCI桥接器：PCI I/O和PCI 内存窗口
PCI-PCI桥接器将PCI I/O和PCI内存读写请求中的一个子集向下传送。例如在图6.1中，如果来自PCI 总线0请求是对SCSI或以太设备所拥有的PCI I/O或PCI内存的读写，则此PCI-PCI桥接器将只需把请求从总线0传递到PCI总线1上；所有其它PCI I/O和内存地址都将被它忽略。这个过滤使得这些地址信息不会在整个系统中扩散。为了实现这点，PCI-PCI桥接器必须编程为有某个PCI I/O及PCI内存基址和上限，只有在这个地址范围内的PCI地址访问才能从主干总线传递到二级总线。一旦系统中的PCI-PCI桥接器被设置成这样，则只要当Linux设备驱动程序通过这个窗口访问PCI I/O和PCI内存空间时，此PCI-PCI桥接器就将变得透明。这样也给Linux PCI设备驱动编写者提供了方便。我们在稍后的讨论中将看到Linux对PCI-PCI桥接器非常巧妙的配置。
6.5.2 PCI-PCI桥接器：PCI配置循环及PCI总线编号方式
图6.3 0类型PCI配置循环
图6.4 1类型PCI配置循环
为了让CPU上运行的PCI初始化代码能访问位于分支PCI总线上的设备，必须为桥接器提供某种机制以便它可以决定是否将配置循环从主干接口传递到其二级接口。循环是出现在PCI总线上的一个地址。PCI 标准定义了两种PCI配置寻址格式；类型0和类型1；它们分别如图6.3及6.4所示。类型0 PCI配置循环不包含总线序号,同时在此PCI总线上对应于这个PCI配置地址的所有PCI设备都会来对它们进行解释。类型0 配置循环的11 位到31位用来进行PCI设备选择。有种设计方式是让每位代表系统中一个不同的设备。这时11位对应PCI槽0中的PCI设备而12位标识槽1中的设备等等，如此类推。另外一种方式是直接将设备的槽号写入到位31到11中。系统使用哪种机制依赖于系统PCI内存控制器。
类型1 PCI配置循环包含一个PCI总线序号,同时这种配置循环将被除桥接器外的所有PCI设备所忽略。所有发现类型1 配置循环的PCI-PCI桥接器把它们看到的地址传递到各自的下级PCI总线。至于PCI-PCI桥接器是否忽略类型1 配置循环或将其传递到PCI总线则依赖于PCI-PCI桥接器的配置方式。每个PCI-PCI桥接器都拥有一个主干总线接口序号以及一个二级总线接口序号。主干总线是那个离CPU最近的PCI总线而二级总线是离它稍远的PCI总线。任何PCI-PCI桥接器还包含一个从属总线序号，这是所有二级总线接口所桥接的PCI总线中序号最大的那个。或者说这个从属总线序号是PCI-PCI桥接器向下连接中PCI总线的最大序号。当PCI-PCI桥接器看到类型1 PCI配置循环时它将进行如下操作：
如果此总线序号不在桥接器的二级总线序号和从属总线序号之间则忽略掉它。
如果此总线序号与桥接器的二级总线序号相同则将其转换成类型0 配置命令。
如果此总线序号位于桥接
