PCI总线初始化过程（linux-2.4.0内核中的pci_init()函数分析）

一

PCI初始化的主要目标

PCI设备（包括PCI桥），与主板之间的连接关系为：设备－[(PCI次层总线)－(PCI-PCI桥)]*－{(PCI主总线)－(宿主-PCI桥)}－主板（*表示0或多层）。总之，所有PCI设备，都直接或间接的连接到了主板上，并且每个PCI设备的内部，必然存在一些存储单元，服务于设备功能，包括寄存器、RAM，甚至ROM，本文将它们称为”功能存储区间”，以便与”配置寄存器组”（用于设备配置的存储区间）区分。

◆为”功能存储区间”，分配地址
为了避免存储单元相互冲突，使CPU可以正常访问所有PCI设备的所有”功能存储区间”，PCI初始化阶段，必须将这些区间，映射到独立的内存或I/O地址区间*（存储单元可以用内存访问指令访问，还是用I/O指令访问，就是由映射到什么区间决定，而跟存储单元是什么介质，以及所在的硬件无关）*。

◆为PCI桥，分配地址窗口
PCI桥作为一种特殊的PCI设备，除了服务于自身的”功能存储区间”，还要为次层总线占据一份内存或I/O区间（总线上没有寄存器，占用的地址空间由所在PCI桥记录），以供次层总线上的PCI设备分配，并且用于判断一个地址，是否在次层总线内部，对来自上游或下游的访问地址进行过滤。

◆将可以产生中断的设备，连接到中断控制器

“PCI设备-PCI插槽-中断请求路径互连器”之间，中断请求线的连接都是由硬件设计决定，只有”中断请求路径互连器-中断控制器”之间的连接，有些情况需要软件设置，一旦所有元件之间的连接都确定了，PCI设备连接着中断控制器的哪根线，就也确定了，并且由内核负责，将其记录到PCI设备的PCI_INTERRUPT_LINE配置寄存器*（注意，这个寄存器只起记录作用，修改其值，并不会改变中断请求线的连接关系）*。

◆管理对象分配
分别为所有PCI总线和设备，分配pci_bus和pci_dev管理对象，记录设备信息（比如，将映射的内存和I/O区间，记录到resource成员，将连接的中断控制器请求线，记录到irq成员）。

二

“配置寄存器组”头部

“配置寄存器组”，一方面提供设备的出厂信息，另一方面，用于系统软件对设备进行配置。其中，前64字节，必须按照PCI标准使用，称为”配置寄存器组”的头部，头部又分为”0型”、”1型”和”2型”，不过，不管哪种头部，前16字节的格式都是一样的（头部类型就包含在其中），只是后48字节格式不同。头部之后的192字节，由具体设备自行使用，如果不需要，没有也是可以的。

2.1. type0 header

◆PCI_HEADER_TYPE（见：drivers/pci/pci.c，pci_setup_device()函数）
头部类型：0，普通PCI设备（包括非桥设备，以及除”PCI-PCI”和”PCI-CardBus”之外的桥设备（比如：”宿主-PCI”桥、”PCI-ISA”桥等））；1，PCI-PCI桥；2，PCI-CardBus桥（专用于笔记本）。

◆PCI_CLASS_DEVICE（见：include/linux/pci_ids.h, 1~118行）

高8位
 |- 0x02：网络设备
 |  |- 低8位 == 0 && PCI_CLASS_PROG == 0
 |     |- Ethernet网卡
 |- 0x07：简单通信控制器
 |  |- 低8位 == 0x01：并行口
 |     |- PCI_CLASS_PROG
 |        |- 0：单向
 |        |- 1：双向
 |        |- 2：符合ECP 1.0规定
 |- 0x06：PCI桥
    |- 低8位
        |- 0x00："宿主-PCI"桥
        |- 0x01："PCI-ISA"桥
        |- 0x04："PCI-PCI"桥
        |- 0x07："PCI-CARDBUS"桥

◆PCI_VENDOR_ID
制造厂商代号。

◆PCI_DEVICE_ID
设备代号（用于区分同一家厂商的不同产品）。

◆PCI_BASE_ADDRESS_0~PCI_BASE_ADDRESS_5
设备中除了配置寄存器，还包含另外一些寄存器，用于实现设备功能，为了表述方便，可以将其称为”功能寄存器”，PCI_BASE_ADDRESS_0~PCI_BASE_ADDRESS_5作为配置寄存器，就是用于配置前提供设备中各个”功能寄存器”区间的大小，配置后为这些区间设置合适的PCI地址。另外，直接读取PCI_BASE_ADDRESS_0~PCI_BASE_ADDRESS_5，得到的是区间地址加上一些标志位，先往里面写入全1再读，就是区间长度。

◆PCI_ROM_ADDRESS
设备中除了包含”功能寄存器”，还有可能包含一块ROM，PCI_ROM_ADDRESS配置寄存器，就是用于提供ROM大小，以及配置ROM的PCI地址。

2.2. type1 header

◆PCI_PRIMARY_BUS
PCI桥的上游总线号。

◆PCI_SECONDARY_BUS
PCI桥的下游总线号。

◆PCI_SUBORDINATE_BUS
以PCI桥下游总线为根的总线树上，最大的总线号（为总线编号时，是按”深度优先”的方式进行遍历，所以根的编号不是最大），CPU可以以此判断，要访问的PCI地址，是否落在当前PCI桥连接的总线树上，避免遍历所有总线。

2.3. IO空间”0xCF8~0xCFF”

根据PCI规范说明，可以通过”0xCF8”和”0xCFC”两个32位寄存器，读写PCI设备的”配置寄存器组”（对于内核开发，直接按照规范使用即可，不需要关心PCI规范的硬件实现，比如为什么是”0xCF8”和”0xCFC”这两个I/O端口号，以及根据其中内容寻找并读写PCI设备的具体过程）：

地址寄存器：用于指定配置寄存器地址；
数据寄存器：对于读操作，用于从中获取读取结果，对于写操作，用于往里填充写入内容。

由于目标地址包含总线号和设备号，所以读写前，所有PCI总线和设备，都要有自己的编号。其中，对于总线编号， PCI桥提供了PCI_PRIMARY_BUS和PCI_SECONDARY_BUS配置寄存器，由软件进行设置，而设备编号，却没有对应的配置寄存器。个人理解，这是因为，总线编号，受总线在树中的位置决定，是PCI厂商无法预测的，而设备编号，只要能够表明设备在单条总线上的局部位置即可，所以可以与PCI插槽位置等效，这在PCI总线出厂时就能确定，所以不需要软件执行枚举编号。

至此，还可以看出PCI设备中，配置寄存器与”功能存储区间”读写渠道的区别：通过”0xCF8”和”0xCFC”寄存器读写”配置寄存器”->通过”配置寄存器”，配置”功能存储区间”地址->直接根据配置地址访问”功能存储区间”。

三

PCI BIOS

BIOS程序烧刻在ROM（只读/不挥发内存），其中，有些厂商的主板，BIOS提供了PCI操作功能，就称为”PCI BIOS”。对于CPU来说，主板加电后，BIOS程序立即就可以执行，而内核程序，必须先由BIOS从MBR（主引导扇区），加载引导程序，再由引导程序加载到RAM（内存），才可以执行。

3.1. 加电自检阶段

“PCI BIOS”包含的很多PCI操作功能，在加电自检阶段就会被执行，本意是为内核省事情。但是，由于一些厂商的BIOS，存在这样或那样的问题，以及嵌入式主板中，甚至没有BIOS，所以Linux内核自己实现了一套独立的PCI操作接口，可以完全不依赖BIOS，不过对于已经在自检阶段完成的操作，Linux内核会尽量保持BIOS的设置，有些情况，会调用自己实现的接口，对其进行补充或修正，有些情况，甚至不再调用自己实现的接口，完全接受BIOS的处理结果。

3.2. 内核执行阶段

“PCI BIOS”还有一些PCI操作功能，作为接口提供给内核程序使用，当内核希望自己完成一些PCI操作，又不想过分关注PCI硬件spec时，就可以通过lcall指令，直接调用“PCI BIOS”提供的功能。不过，同样为了避免BIOS中的各种问题，以及没有BIOS的情况，Linux内核对这些接口，也自己实现了一份，并且，Linux内核中的PCI操作函数，分别通过CONFIG_PCI_BIOS和CONFIG_PCI_DIRECT宏，选择调用哪套接口。显然，这两个宏至少要有一个是打开的，并且，两者互不相斥，都打开时，内核通常优先使用自己的接口，或用自己的接口，对BIOS接口的操作结果进行修正。

3.3. 内核对BIOS的依赖

《Linux内核源代码情景分析》，p1025：

《Linux内核源代码情景分析》，p1030：

对于书上的说法，我一开始误解为：不管什么情况，即使没有BIOS，内核也能自己完成PCI操作，而是否依赖，可以通过CONFIG_PCI_BIOS宏，进行控制。

带着这个误解，分析完i386架构下的pci_init()函数后，我产生了一个困惑：没有看到设置PCI设备PCI_IO_BASE和PCI_MEMORY_BASE寄存器的代码。然而，为各个PCI设备配置内存和I/O空间，可是PCI初始化的根本目标之一，所以既然内核没有设置，那就一定依赖了BIOS的设置，这就跟我的误解冲突了。

为了重新理解书上的说法，我首先想到的是，不定义CONFIG_PCI_BIOS宏，只会影响内核代码的编译结果，关闭内核函数对BIOS接口的调用，并不能影响加电自检时BIOS执行哪些PCI操作，因为BIOS程序在主板出厂时，就已经固定了。

i386架构下，内核代码所有对BIOS接口的调用，都在pcibios_init()或它调用的函数中：

pcibios_init()
 |- pci_find_bios()                          // #ifdef CONFIG_PCI_BIOS
 |   |- check_pcibios()
 |   |   |- lcall &pci_indirect              // 通过call指令，进入BIOS调用入口
 |   |- return &pci_bios_access
 |       |- pci_bios_OP_config_SIZE()        // OP: read/write; SISE: byte/word/dword
 |           |- lcall &pci_indirect
 |- pcibios_irq_init()
 |   |- pcibios_get_irq_routing_table()      // #ifdef CONFIG_PCI_BIOS
 |   |   |- lcall &pci_indirect
 |   |- pirq_find_router()
 |       |- pirq_router = &pirq_bios_router  // #ifdef CONFIG_PCI_BIOS
 |           |- pcibios_set_irq_routing()
 |               |- lcall &pci_indirect
 |- pcibios_sort()                           // #ifdef CONFIG_PCI_BIOS
     |- pci_bios_find_device()
     |- lcall &pci_indirect

另外，为防止看漏了，我对内核设置PCI_MEMORY_BASE寄存器的语句，进行了搜索：

结果发现，i386架构下，内核代码确实没有设置过PCI_IO_BASE和PCI_MEMORY_BASE寄存器，但在arm架构下（arch/arm/kernel/bios32.c），是由内核自己配置：

pcibios_init()
 |- pci_assign_unassigned_resources()
     |- pbus_assign_resources()
         |- pci_setup_bridge()
             |- pci_write_config_dword(bridge, PCI_IO_BASE, l)
             |- pci_write_config_dword(bridge, PCI_MEMORY_BASE, l)

所以，结合以上两点可知，判断pcibios_init()是否依赖BIOS，还要看它是否依赖BIOS在加电自检阶段的操作结果，并且i386架构下的pcibios_init()函数，确实是依赖的。

那就是说，虽然Linux内核独立实现了一套PCI操作接口，使得Linux内核可以完全不依赖BIOS，实现任何PCI操作，不过，这只是为最终的PCI操作是否完全不依赖BIOS，提供了选择，比如arm CPU常用于嵌入式系统，通常根本没有BIOS，所以arm架构下实现PCI操作，必须选择完全使用内核接口，而对于i386 CPU，可以确定加电自检阶段，有些操作必然已由BIOS完成，并且完成的没问题时，就可以选择仍然”依赖”BIOS（可以依赖时，不依赖白不依赖）。

搞清楚这一点很重要，要不然分析代码时，就可能会期待在pci_init()函数中，看到根据所有PCI设备汇总信息，分配PCI地址的过程，却看不到，有些配置也会让人觉得”来历不明”，还没见到设置，内核就认为已经设置了。

四

pci_init()函数分析

// 声明：以下分析的代码，是针对i386 CPU的实现!!
pci_init()
 |
 |- pcibios_init()  // arch/i386/kernel/pci-pc.c !!
 |   |              // 早期，该函数完全通过调用BIOS接口实现，所以函数名中包含了"bios"
 |   |              // 后来，该函数演变为，可以通过CONFIG_PCI_DIRECT和CONFIG_PCI_BIOS宏，选择调用BIOS接口，还是调用内核自己实现的接口
 |   |              // 而且两者不互斥，如果2个宏都打开，内核通常优先使用自己的接口，或用自己的接口，对BIOS接口的操作结果进行修正
 |   |
 |   |  // 获取BIOS提供的PCI操作接口 (#ifdef CONFIG_PCI_BIOS)
 |   |- pci_root_ops = pci_find_bios()
 |   |   |
 |   |   |  // 0xe0000~0xffff0为BIOS占用的物理内存
 |   |   |- for (check = (union bios32 *) __va(0xe0000); check <= (union bios32 *) __va(0xffff0); ++check)
 |   |       |
 |   |       |  // 每个bios32对象，都包含16字节头部，其中包含signature和checksum字段

由于代码较长，请用PC阅读源文查看。

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原文始发于微信公众号（看雪学苑）：PCI总线初始化过程（linux-2.4.0内核中的pci_init()函数分析）