注：本博客內容主要摘自<PCI Express 體系結構導讀>
一、PCI總線作用
PCI總線是PC機廣泛使用的外圍高速總線接口，顯卡、網卡、聲卡等高速設備都通過PCI總線接到CPU。
二、PCI總線組成
2.1 x86架構的PCI總線結構
x86架構采用南北橋結構，北橋集成了AGP控制器可以接顯卡，集成了ddr控制器可以接內存條，集成了PCI總線控制器(HOST主橋)可以接PCI設備。南橋主要接一些低速設備，如USB、LAN、ATA等。如下所示：
x86架構的PCI總線結構如下所示：
2.2 SOC架構的PCI總線結構
而在soc架構的芯片中，HOST主橋則集成在soc中，soc中包含有PCI總線控制器，這個控制器就可以認為是HOST主橋。下圖是freescale的PowerPC處理器，型號為MPC8584，采用soc架構，如下所示：
圖2.2 MPC8548處理器拓撲圖
2.3PCI設備
PCI總線有三種類型設備，分別是PCI主設備、PCI從設備、PCI橋設備。PCI從設備只能被動接受來自主橋和其它PCI從設備的讀寫請求，而PIC主設備可以通過總線仲裁獲得總線使用權。PCI設備即可作為主設備也可作為從設備，在PCI總線中的主設備和從設備統稱為PCI Agent，如聲卡、網卡都輸入PCI Agent。PCI橋設備是特殊的PCI設備，用來擴展PCI總線，PCI橋存在使得系統大規模互聯稱為可能。
PCI橋使得PCI總線有極大的擴展性，一條PCI總線能連接的PCI設備是有數量限制的， 如果需要連接更多的PCI設備，就需要用PCI橋來擴展PCI總線。每一個PCI橋都可以擴展出一條PCI總線，圖2.3所示：
圖2.3 使用PCI橋擴展PCI總線
2.4 HOST主橋
在PCI體系中，有兩類橋，一類是PCI主橋，另外一類是PCI橋設備。HOST主橋的基本功能是完成存儲器域到pci域的轉換和管理pci設備的配置空間。不同處理器對HOST主橋的處理並不相同，x86體系中，HOST主橋集成在北橋中，而soc體系的芯片將HOST主橋集成在soc中。
三、PCI總線的總線號和設備號分配
PCI總線使用地址譯碼的方式進行數據傳遞，采用ID譯碼的方式進行配置信息傳遞。每一個PCI設備都有一個BAR(基地址)寄存器，系統通過BAR+偏移地址的方式訪問PCI設備的存儲空間。ID譯碼方式使用PCI設備的ID號，ID號=總線號+設備號+功能號。系統首先需要在初始化時分配PCI總線的總線號、設備號，這樣才能通過ID號訪問PCI設備的配置空間，配置PCI設備。PCI總線初始化指的是系統上電初始化PCI總線時分配PCI總線號、設備號、配置PCI設備Base Address寄存器等初始化操作。
3.1 PCI Agent 和PCI橋的配置空間
在系統上的初始化時，cpu會通過HOST主橋去配置PCI Agent和PCI橋的配置寄存器，PCI 設備的配置寄存器的初始值通常存儲在PCI設備的E2PROM中，PCI設備上的后會自動加載E2PROM中的信息去配置好相關寄存器。
1、PCI Agent的配置寄存器
PCI Agent的配置寄存器如下所示：
（1）Device ID(r)和Vendor ID(r)：其值有PCISIG組織分配。Vendor ID代表PCI設備的廠商，Device ID代表這個廠商生產具體設備的標號
（2）Revision ID(r)：表示PCI設備版本號
（3）Class ID(r)：用於將PIC設備分類，有三個字段組成，分別為Base Class Code、Sub Class Code、Inerface。Base Class Code代表設備類型，如顯卡、網卡、PCI橋等。Sub Class Code則對這些設備進行進一步細分。Inerface表示編程接口。如一個正“正向譯碼”的橋設備Class ID這三個字段分別為0x06、0x04、0x01。
（4）Command (rw)寄存器：該寄存器是PCI設備的命令寄存器
（5）Status(rw)寄存器：該寄存器是PCI設備的狀態寄存器
（6）Header Type(r)寄存器：第7位為1表示PCI設備是多功能設備，為0表示單功能設備。0~6位為配置空間類型，0表示PCI Agent配置空間，1表示PCI 橋配置空間。軟件系統用該寄存器區分不同配置空間。
（7）Base Address(rw)寄存器：PCI設備在PCI總線域的基地址寄存，處理器在訪問PCI設備時需要通過“Base Address+偏移地址訪問”。這個寄存器值是有處理器在初始化PCI總線時分配給PCI設備的。
注：其它寄存說明可參考<PCI Express 體系結構導讀>
2、PCI橋的配置寄存器
PCI橋配置寄存器如下所示：
Device ID(r)、Vendor ID(r)、Revision ID(r)、Class ID(r)、Command (rw)、Status(rw)、Header Type(r)、Base Address(rw)這些寄存器功能和PCI Agent一樣。
（1）Subordinate Bus Number(rw)、Secondary Bus Number(rw)和Primary Bus Number(rw)寄存器：Subordinate Bus Number寄存器存放當前PCI 橋下面編號最大的PCI 總線號，Secondary Bus Number寄存存放當前PCI 橋下面編號最小的PCI 總線號，PCI橋能管理的總線號在Secondary Bus Number~Subordinate Bus Number之間，Primary Bus Number寄存器存放PCI橋上游的PIC總線號。這些寄存器都有系統在初始化時遍歷總線設置。
（2）Memory Base(rw)和Memory Limit(rw)寄存器：這兩個寄存器存放該PCI橋管理的PCI Agent設備的起始及地址和空間大小
3.2 PCI總線BUS號初始化
系統在上電初始化時系統會使用DFS算法遍歷PCI總線，分配總線號，即初始化PCI橋設備的Subordinate Bus Number(rw)、Secondary Bus Number(rw)和Primary Bus Number(rw)寄存器。。具體過程見<PCI Express 體系結構導讀>2.4.3章節。總線號分配完成后如下所示：
3.3 PCI總線Device號分配
一條PCI總線上有各種PCI設備，每一個PCI設備在總線上有唯一一個設備號，系統通過“總線號+設備號”定位到需要訪問的設備。PCI寄存器中並沒有“設備號”寄存器，HOST主橋通過IDSEL引腳選擇PCI設備，IDSEL相當於PCI設備的片選信號。HOST主橋並沒有獨立的片選信號引腳去連接每個PCI設備的片選信號，而是將PIC設備的IDSEL信號與AD[31:11]信號相連。通常將AD[31:16]與片選信號相連接。比如主板上有5個PIC卡槽，可以接5個PIC設備，第一個PIC設備的IDSEL信號連接到AD16，表示設備0，HOST主橋只要拉高AD16就選中了設備0。第二個PIC設備的IDSEL信號連接到AD17，表示設備1，HOST主橋只要拉高AD11就選中了設備1，依次類推。由此可將，PIC總線的Device是有硬件連接決定的，即IDSEL信號與AD[31:11]信號的連接情況。
四、PCI總線的配置空間訪問
PCI總線的配置空間是3.2節介紹的PCI設備的配置寄存器。PCI總線通過ID尋址的方式訪問PCI設備的配置空間。ID號有總線號、設備號和功能號組成，總線號和設備號的分配見3.2和3.3節。功能號與PCI設備的體設計相關。系統訪問PCI設備的寄存器是通過ID+寄存器號完成的。PCI總線定義了Type 00h和Type 01h這兩種配置請求，因為Type 00h請求用來訪問與HOST 主橋或PCI橋直接相連的PCI Agent，Type 01h請求用來訪問隔着PCI 橋的PCI Agent。Type 01通過PCI橋時，最終會轉換為Type 00h請求。如圖2.3所示，PCI主橋可以使用Type 00h配置請求訪問PCI設備01，而使用Type 01h請求通過PCI橋1、2或則3轉換為Type 00h配置請求后，訪問PCI總線樹上的PCI設備11、21、22、31或32.
x86處理器用CONFIG_ADDRESS和CONFIG_DAT這兩個寄存器訪問pci總線的配置空間。
圖4.1 CONFIG_ADDRESS寄存器
但Enable位為1時，HOST主橋將對這個寄存器的讀寫訪問轉換為PCI配置讀寫總線事務。當把PCI設備的ID號寫入到CONFIG_ADDRESS寄存器，且使能Enable位為1時，這個寄存器的內容將復制到PCI的AD[31:0]總線上，如圖4.2和4.3所示分別為Type 01h和Type 00h的配置請求；
圖4.2 CONFIG_ADDRESS寄存器與Type 01h配置請求
圖4.3 CONFIG_ADDRESS寄存器與Type 00h配置請求
從圖總可以看出，Type 01h配請求把CONFIG_ADDRESS寄存器的第0位設置為1，表示Type 01h請求，然后把寄存器中的內容全部復制到AD[31:0]中。Type 00h請求把CONFIG_ADDRESS寄存器的第0位設置為0，表示Type 00h請求，Bus Number並沒有復制到AD[31:0]中，因為Type 00h請求是訪問與HOST 主橋或PCI橋直接相連的PCI Agent，所以不需要總線號。AD[31:11]與Device Number的字段有關，AD[31:11]有且一位為1，為1的那位即為PCI 設備的片選信號，詳情見3.3節。
五、PCI總線的數據交換
PCI處理器和PCI Agent以及PCI Agent和PCI Agent之間可以使用存儲器讀寫和I/O讀寫事務進行數據交換。PCI 橋並不之間參與數據交換，而是轉發來之HOST 主橋或則PCI Agent設備的數據。PCI總線通過地址尋址訪問PCI 設備的存儲空間，每個PCI設備都有一個基地址寄存器Base Address，PCI總線通過“BAR+偏移地址”的形式來訪問PIC設備的存儲空間。
5.1 存儲器域與PCI總線域
HOST主橋的主要作用就是隔離存儲器域和PCI總線域，實現存儲器域和PIC總線域相互轉換。存儲器域指的是cpu能直接訪問到的空間，在x86架構中南橋和北橋都能被cpu直接訪問，都是屬於存儲器。在soc架構中，ddr控制器，pci控制器、usb控制器等這些外圍設備也能被cpu直接訪問，也屬於存儲器域。PIC總線域只有PCI Agent、PCI橋和HOST主橋能直接訪問，cpu要想訪問PCI總線域需要通過HOST主橋完成存儲器域到PCI域的地址轉換，PCI設備要想訪問存儲器域也要通過HOST主橋將PCI域地址轉成存儲器域地址。
5.2 存儲器地址和PCI總線地址的轉換
假設所有PCI Agent只使用BAR0寄存器，每個PCI Agent有16MB的存儲空間(0x0100-0000)，而且PCI橋不占用PCI總線的地址空間。一共有8個PCI Agent設備，總共需要占用8*16=128MB的地址空間，在PCI總線上分配的空間地址范圍為0x7000-0000~0x77FF-FFFF。系統不能直接訪問PIC 總線域的空間，需要進行地址映射，假設在存儲器域中將0xF000-0000~0xF7FF-FFFF(128MB)這都地址空間映射到了PIC總線的0x7000-0000~0x77FF-FFFF地址空間。但處理器訪問0xF000-0000~0xF7FF-FFFF這段空間時，HOST主橋會認領這個存儲器訪問，並將該存儲器訪問使用的物理地址轉換為0x7000-0000~0x77FF-FFFF這段地址。
但PCI設備使用DMA訪問存儲器地址空間時，處理器同樣需要將存儲器域的地址映射到PIC總線域的地址。假設在一個處理器系統中，DDR為2GB，器存儲器地址范圍為0x0000-0000~0x7FFF-FFFF，這段地址將映射到PCI總線的0x8000-0000~0xFFFF-FFFF。PCI設備進行DMA傳輸時，必須使用0x8000-0000~0xFFFF-FFFF這段地址，HOST主橋才能認領這個總線事務，並將這個地址轉換為存儲器域地址，並與0x0000-0000~0x7FFF-FFFF這段空間進行數據交換。
圖5.1 存儲器域PCI總線域的地址映射關系
5.3 PCI Agent BAR寄存器和PCI橋Base、Limit寄存器的初始化
系統在訪問PCI設備的存儲空間之前，需要對PCI Agent BAR寄存器和PCI橋Base、LImit寄存器進行初始化。系統使用DFS算法遍歷PCI總線時，完成對這些寄存器的初始化。
圖5.2 BAR寄存器的初始化
5.4 處理器向PCI設備寫數據
下面以圖5.2為例，說明處理器向PCI 設備11寫數據的過程。PCI設備11的PCI總線地址范圍是0x7300-0000~0x73FF-FFFF，這段地址在存儲器域的對應地址范圍是0xF300-000~0xF3FF-FFFF。下面假設處理器要向PCI設備11的0x7300-0008地址寫數據。
(1)PIC域的0x7300-0008地址對應的處理器域地址是0xF300-0008，因為處理器不能直接訪問PCI域，所以處理器訪問的是0xF300-0008這個地址，當處理器訪問這個地址時，HOST主橋會認領這個訪問請求，因為這個地址映射到了PCI總線域。
(2)PCI主橋將0xF300-0008這個存儲器域地址轉換為0x7300-0008的PCI域地址，並向PCI總線0發起一次寫訪問。
(3)0x7300-0008這個地址在PCI橋1的Memory Base寄存器值和Memory Limit寄存器值之間，PCI橋1就認為這個地址在它的管理范圍之內，所以就認領了這個任務，並向PCI總線1轉發了這次任務。
(4)0x7300-0008這個地址剛在是PCI總線1的PCI設備11的地址空間，PCI設備11就接受了這次寫訪問請求。
5.5 PCI設備的DMA操作
下面以PCI設備11向存儲器域0x1000-0000~0x1000-FFFF寫數據為例說明PCI設備向處理器發送數據工程
(1)因為PCI設備不能直接訪問0x1000-0000~0x1000-FFFF這段存儲器域空間，它只能通過訪問映射到這段存儲器域空間的0x9000-0000~0x9000-FFFF PCI域空間進行訪問。
(2)PCI設備11向PCI總線1發送存儲器寫請求事務，PCI橋1接受到這個事務請求后，發現自己不能處理這個事務，就將這個事務請求向上游總線轉發，也就是PCI總線0.
(3)HOST主橋發現0x9000-0000~0x9000-FFFF這段地址空間已經映射到了存儲器域的空間，已是將這個PCI域總線地址空間轉換為0x1000-0000~0x1000-FFFF存儲器域地址空間。
(4)存器控制器將從HOST主橋接受數據，並將寫入存儲器。