PCIE協議及PCIE體系結構說明

一、link和lane

一組link就是連接兩個port之間的若干條lane，通常為x1/x2/x4/x8/x16。每條lane包含四根線tx_p/m，rx_p/m(兩組差分對)。這里的port/component可以理解為一個設備，如果pcie支持bifurcation，則一個x16的接口可以連接多個port(2個x8/1個x16/4個x4/8個x2等)，每個port中每條lane的linkID相同，不同port間的linkID不同。

二、PCIE體系結構說明

Root Complex：

RC是CPU和PCIE總線連接的接口。主要功能是完成存儲器域到PCIE總線域的地址轉換，隨著虛擬化技術的引入，RC功能也越來越復雜。RC把來自CPU的request轉化成PCIE的4類request(configuration、memory、I/O、message)并發送給下面的設備。

Switch & Bridge

Switch提供了分散/聚合的功能，它允許更多的設備接入到一個PCIE port。它扮演了數據包路由的功能。Bridge提供了一個轉換接口用來連接其他的總線，如PCI/PCI-X。這樣可以允許在PCIE的系統中接入一張舊的PCI設備。

PCIE Endpoint：

它只有一個上游端口，位于PCIE拓撲結構的樹的末端。他作為請求的發起者或者完成者。分為Legacy Endpoint、PCIE Endpoint和Root Complex Integrated Endpoint三種。

虛擬化技術：

虛擬化可以理解為一臺電腦運行了兩套系統，比如我們在windows下安裝linux虛擬機，兩套操作系統共用一套硬件，這要求每套系統的存儲域范圍不重疊，即對應了兩套地址轉換，將存儲器地址轉換為不同的物理地址，以此實現一套硬件運行多系統。虛擬化技術的核心是地址的映射和轉換。

三、PCIE?lane翻轉和PN翻轉

為了方便板子布線，允許lane翻轉

每條lane的差分信號也可翻轉。

lane翻轉和pn極性翻轉有以下要求：

1、PN翻轉無限制，可翻轉部分lane，也可只翻轉TX或RX

2、lane翻轉必須全部翻轉，不能部分翻轉

3、lane翻轉TX/RX必須同時翻轉，不能只翻轉TX或RX

4、lane翻轉和PN翻轉可以同時存在

四、吞吐量

PCIE gen1/2使用8b/10b編碼，編碼效率為0.8

PCIE gen3/4/5使用128b/130b≈0.985

PCIE 5.0x4的速率為:32Gbpsx4x128÷130÷8b/B≈15.754GB/s

?五、PCIE枚舉圖開機啟動時軟件會掃描系統中的所有PCIE設備(PCIE枚舉)，對軟件而言，Bus/Device/Function是必不可少的。 Bus：在一個系統中存在1~256個bus； Device：在一條bus中存在1~32個設備； Function：每個設備有1~8個功能；

對于每個中間橋而言，三條Bus必須知道：Primary Bus/Secondary Bus/Subordinate Bus： Primary Bus：上游bus號 Secondary Bus：下游第一級bus號 Subordinate Bus：下游最大的bus號

?六、PCIE設備與系統地址映射

PCIE設備有四種地址空間： 1、Configuration Space配置空間； 2、Memory Space存儲空間； 3、I/O Space空間，存在于老的PCI設備； 4、Message Space，PCIE設備新增，包含邊帶指示信號，比如中斷； 這些PCIE總線地址空間需要在初始化時就映射為存儲器域的存儲器地址空間，方便處理器訪問。系統軟件對PCIE總線進行配置時，首先獲得BAR寄存器的初始化信息，之后根據處理器系統的配置，將合理的基地址寫入到相應的BAR寄存器中，這個過程在BIOS運行階段和OS啟動階段完成。系統軟件還可以使用該寄存器獲得PCIE設備使用的BAR空間的長度，其方法是向BAR寄存器寫入0xFFFF_FFFF后再讀取該寄存器。每個PCIE設備在BAR中描述自己需要占用多少地址空間，BIOS或OS通過所有設備的這些信息構建一張完整的地址映射表，描述系統中資源的分配情況，然后再合理地將地址空間配置給每個PCI設備。BAR在bit0來表示該設備是映射到memory還是I/O，BAR的bit0是readonly的，就是說設備寄存器映射到memory還是I/O是由設備制造商決定的，其他人無法修改。

PCI的配置空間如上圖所示，每個設備的每個function都有獨立的配置空間，大小為256B，前64B為表頭，PCIE設備的配置空間拓展為4KB。 所有PCI的配置空間為： 16MB=256Busx32Device/Busx8Function/Devicex256B/Func 所有PCIE的配置空間為： 256MB=256Busx32Device/Busx8Function/Devicex4KB/Func ? X86架構地址又分為memory space和I/O space。I/O space可以理解為直接寄存器讀寫地址空間，屬于X86早期產物，訪問速率較慢。 x86：32bit(4GB) x64：64bit(16EB) I/O space：16bit(64KB)

從上圖可知Memory地址前640KB為Conventional Memory，1MB間的為Boot ROM，中間一段為DRAM內存，其余的分配給PCI存儲器域。I/O地址中可以通過CF8-CFB和CFC-CFF訪問PCI的16MB配置空間，剩下的為各PCI設備映射的I/O地址空間。對于PCIE而言，配置空間通過memory的方式映射(MMIO)，不再通過I/O Map的方式訪問，這會占用一部分系統內存，也是內存用不滿的原因(還有主板上的集成顯卡/BIOS等也會占用內存)。 ?

編輯：黃飛

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