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PCIe 枚举示例 （Single Root）

2024-11-11 来源：个人技术集锦

摘要：本文主要是对 Single-Root System 的枚举过程进行分析。



启动阶段，处理器上的系统软件执行的枚举步骤如下：

  1. 从 Device 0 开始，依次尝试读取 Bus 0 上可能存在的 32 个 Device 的 Function 0 的 Vendor ID。如果 Device 0 返回一个合法的 Vendor ID，则证明 Device 0 存在并且包含至少一个 Function。如果返回的 Vendor ID 不合法，则开始尝试 Bus 0 Device 1 Function 0。

一个 Bus 上最多包含 32 个 Device，所以每个 Bus 都需要遍历 Device 0 ~ Device 31。

  1. 在图片事例中，Bus 0 Device 0 Function 0 的 Header Type 寄存器的 Bit[6;0] 位是 0x01，表明该设备是 PCI-to-PCI 桥。Header Type 寄存器的 Bit[7] 是 0，表明该 Device 只包含 1 个 Function。

  1. 系统软件识别到 Bus 0 Device 0 Function 0 是 PCI-to-PCI 桥后，对它的配置空间寄存器做如下修改：

    • Primary Bus Number Register = 0
    • Secondary Bus Number Register = 1
    • Subordinate Bus Number Register = 255

    配置完成后，这个 PCI-to-PCI 桥就知道它的上游端口直接相连的是 Bus 0，下游端口直接相连的是 Bus 1，并且它的下游端口可以访问的最大的总线号是 255。


  1. PCIe 总线枚举采用的是深度优先（depth-first）算法，因此，完成第 4 步的配置之后，需要先去搜索 Bus 1 上的设备，而不是去搜索 Bus 0 Device 1 Function 0。

  1. 系统软件尝试去读取 Bus 1 Device 0 Function 0 的 Vendor ID。在本例中，Bus 1 Device 0 Function 0 是 C 桥（Bridge C），所以能返回合法的 Vendor ID，表明 Bus 1 Device 0 Function 0 设备存在。

  1. 系统软件读取 Bus 1 Device 0 Function 0 的 Header Type 寄存器，发现 Bit[6:0] = 0x1，表明这是个 PCI-to-PCI 桥；Bit[7] = 0，表明该 Device 只包含 1 个 Function。

  1. 系统软件对 C 桥（Bridge C）的配置空间寄存器进行如下配置：

    • Primary Bus Number Register = 1
    • Secondary Bus Number Register = 2
    • Subordinate Bus Number Register = 255

    配置完成后，这个 PCI-to-PCI 桥就知道它的上游端口直接相连的是 Bus 1，下游端口直接相连的是 Bus 2，并且它的下游端口可以访问的最大的总线号是 255。


  1. 根据深度优先（depth-first）算法，继续读取 Bus 2 Device 0 Function 0 的 Vendor ID。在本例中，Bus 2 Device 0 Function 0 对应的是 D 桥（Bridge D）。

  1. 系统软件会从 Bus 2 Device 0 Function 0 得到合法的 Vendor ID，表明 Bus 2 Device 0 Function 0 存在。

  1. 读取 Bus 2 Device 0 Function 0 的 Header Type 寄存器，发现 Bit[6:0] = 0x1，表明这是个 PCI-to-PCI 桥；Bit[7] = 0，表明该 Device 只包含 1 个 Function。

  1. 系统软件对 D 桥（Bridge D）的配置空间寄存器进行如下配置：
    • Primary Bus Number Register = 2
    • Secondary Bus Number Register = 3
    • Subordinate Bus Number Register = 255

  1. 根据深度优先（depth-first）算法，继续读取 Bus 3 Device 0 Function 0 的 Vendor ID。

  1. 从 Bus 3 Device 0 Function 0 中获取合法的 Vendor ID，表明 Bus 3 Device 0 Function 0 存在。

  1. 读取 Bus 3 Device 0 Function 0 的 Header Type，发现 Bit[6:0] = 0x0，表明 Bus 3 Device 0 Function 0 是个 Endpoint；Bit[7] = 1，表明 Bus 3 Device 0 上包含多个 Function。

  1. 每个 Device 最多允许包含 8 个 Function，所以系统软件会依次尝试读取 Bus 3 Device 0 Function 1 ~ Bus 3 Device 0 Function 7。在本例中，只有 Bus 3 Device 0 Function 1 会返回合法的 Vendor ID，表明 Bus 3 Device 0 Function 1 存在。与此同时，Bus 3 Device 0 Function 1 的 Header Type Bit[6:0] = 0x1，表明这是个 Endpoint。

  1. 系统软件继续尝试读取 Bus 3 Device 1 Function 0 ~ Bus 3 Device 31 Function 的 Vendor ID。在本例中，由于这些设备都不存在，所以得到的 Vendor ID 都是非法的。

  1. 此时，系统软件已经枚举了 D 桥（Bridge D）下的所有设备，能够确认 D 桥（Bridge D）的下游端口（downstream）连接的最大的总线号就是 3。因此，系统软件需要将 D 桥（Bridge D）的 Subordinate Bus Number Register 设置为 3。既然 Bus 3 已经遍历完了，那就需要回退的 Bus 2，开始接着遍历 Bus 2 上的其他 Device 。在本例中，Bus 2 Device 1 Function 0 对应的是 E 桥（Bridge E）。

  1. 从 Bus 2 Device 1 Function 0 中获取合法的 Vendor ID，表明 Bus 2 Device 1 Function 0 存在。

  1. 读取 Bus 2 Device 1 Function 0 的 Header Type，发现 Bit[6:0] = 0x1，表明 Bus 2 Device 1 Function 0 是个 PCI-to-PCI 桥；Bit[7] = 0，表明 Bus 2 Device 1 上只包含 1 个 Function。

  1. 系统软件对 E 桥（Bridge E）的配置空间寄存器进行如下配置：
    • Primary Bus Number Register = 2
    • Secondary Bus Number Register = 4 （E 桥引入了一条新的 Bus）
    • Subordinate Bus Number Register = 255

  1. 根据深度优先算法，尝试读取 Bus 4 Device 0 Function 0 的 Vendor ID。

  1. 从 Bus 4 Device 0 Function 0 中获取合法的 Vendor ID，表明 Bus 4 Device 0 Function 0 存在。

  1. 读取 Bus 4 Device 0 Function 0 的 Header Type，发现 Bit[6:0] = 0x0，表明 Bus 4 Device 0 Function 0 是个 Endpoint；Bit[7] = 0，表明 Bus 4 Device 0 上只包含 1 个 Function。

  1. 继续尝试枚举 Bus 4 上的其他 Device 1 ~ 31，发现都不存在。

  1. 此时，E 桥（Bridge E）下游端口（downstream）Bus 4 上的所有 Device & Function 都枚举完成了，能够确认 E 桥下游端口连接的最大总线号就是 4。因此，系统软件将 E 桥的 Subordinate Bus Number Register 设置为 4。Bus 4 枚举完成之后，再返回 Bus 2 进行枚举，读取 Bus 2 Device 2 Function 的 Vendor ID。在本例中，Bus 2 Device 2~31 Function 0 都不存在，所以返回的都是非法 Vendor ID。

  1. Bus 2 的枚举到此结束，能够确认 C 桥（Bridge C）下游端口（downstream）连接的最大的总线号是 4。因此，系统软件需要将 C 桥（Bridge C）的 Subordinate Bus Number Register 设置为 4。然后，返回 Bus 1，继续枚举下一个 Device（Bus 1 Device 1 Function 0）。在本例中，Bus 1 Device 1~31 Function 0 都不存在，所以返回的都是非法 Vendor ID。

  1. Bus 1 的枚举到此结束，能够确认 A 桥（Bridge A）下游端口（downstream）连接的最大的总线号是 4。因此，系统软件需要将 A 桥（Bridge A）的 Subordinate Bus Number Register 设置为 4。Bus 1 枚举结束后，返回 Bus 0 继续枚举下一个 Device （Device 1）。在本例中，Bus 0 Device 1 Function 0 是一个 PCI-to-PCI 桥。

  1. 像之前的步骤一样，系统软件检测到 Bus 0 Device 1 Function 0 是一个 PCI-to-PCI 桥，于是修改它的配置空间寄存器：
    • Primary Bus Number Register = 0
    • Secondary Bus Number Register = 5
    • Subordinate Bus Number Register = 255

  1. 根据深度优先算法，开始枚举 Bus 5，于是发现了 F 桥。系统软件修改 F 桥的配置空间寄存器：
    • Primary Bus Number Register = 5
    • Secondary Bus Number Register = 6
    • Subordinate Bus Number Register = 255

  1. 根据深度优先算法，开始枚举 Bus 6，于是发现了 G 桥。修改 G 桥的配置空间寄存器：
    • Primary Bus Number Register = 6
    • Secondary Bus Number Register = 7
    • Subordinate Bus Number Register = 255

  1. 根据深度优先算法，开始枚举 Bus 7, 于是发现了 Bus 7 Device 0 Function 0 是一个 Endpoint，并且该 Device 只包含 1 个 Function。到此，Bus 7 枚举结束，需要将 G 桥的 Subordinate Bus Number Register 修改为 7。

  1. Bus 7 枚举完成，返回 Bus 6 继续枚举下一个 Device（Bus 6 Device 1 Function 0），于是发现了 H 桥。修改 H 桥的配置如下：
    • Primary Bus Number Register = 6
    • Secondary Bus Number Register = 8
    • Subordinate Bus Number Register = 255

  1. 根据深度优先算法，开始枚举 Bus 8，于是发现了 J 桥。修改其配置空间寄存器：
    • Primary Bus Number Register = 8
    • Secondary Bus Number Register = 9
    • Subordinate Bus Number Register = 255

  1. 根据深度优先算法，枚举 Bus 9 上的所有 Device & Function，发现没有 Bridge，全是 Endpoint。此时能够确定 J 桥下游端口（downstream）连接的最大总线号是 9。修改 J 桥的 Subordinate Bus Number Register 为 9。返回 Bus 8 继续枚举，发现没有其它 Device & Function 了，所以修改 H 桥的 Subordinate Bus Number Register 为 9 。

  1. Bus 8 枚举完成后，返回 Bus 6 继续枚举下一个 Device（Bus 6 Device 2 Function 0），于是发现了 I 桥。修改 I 桥的配置空间寄存器：
    • Primary Bus Number Register = 6
    • Secondary Bus Number Register = 10
    • Subordinate Bus Number Register = 255

  1. 根据深度优先算法，开始枚举 Bus 10，发现只有一个 Endpoint（Bus 10 Device 0 Function 0）。

  1. Bus 10 枚举完成，修改 I 桥的 Subordinate Bus Number Register 为 10。

  1. 返回 Bus 6，发现没有其它的 Device & Function 了，于是修改 F 桥的 Subordinate Bus Number Register 为 10。

  1. 返回 Bus 5，发现没有其它的 Device & Function 了，于是修改 B 桥的 Subordinate Bus Number Register 为 10。

  1. 返回 Bus 0，发现没有其它的 Device & Function 了，于是修改 Host/PCI 桥的 Subordinate Bus Number Register 为 10。


到此为止，整个枚举的过程就完成了！！！

声明：本文中的图片来自MindShare, Inc 经典书籍《PCI Express Technology》。
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