1、基本概念

cpu地址空間和pci地址空間是兩個(gè)常用的比較容易混淆的概念，特別是其中不同系列的cpu的實(shí)現還各不相同：x86系列cpu地址空間和pci地址空間是重合的，即為同一空間；而非x86 cpu的cpu地址空間和pci地址空間為兩個(gè)獨立的空間。
也許是因為pci總線(xiàn)是intel發(fā)明的，所以x86內部總線(xiàn)和pci總線(xiàn)實(shí)現是一致的，但非x86系列的cpu實(shí)現pci總線(xiàn)需要用到總線(xiàn)轉換。

1.1、非x86系列的CPU空間和PCI空間互訪(fǎng)(以PowerPC為例)：

因為PCI地址空間和CPU地址空間是獨立的，所以PCI設備和CPU之間的互訪(fǎng)需要用到地址轉換。涉及到兩個(gè)概念，inbound和outbound。
Inbound窗口：即將CPU的一段地址空間映射到PCI地址空間上，供PCI設備訪(fǎng)問(wèn)CPU空間所用，即inbound窗口。因為對cpu來(lái)說(shuō)pci訪(fǎng)問(wèn)就是inbound訪(fǎng)問(wèn)。
Outbound窗口：即將PCI的一段地址空間映射到CPU地址空間上，供CPU訪(fǎng)問(wèn)PCI空間所用，即Outbound窗口。因為對cpu來(lái)說(shuō)訪(fǎng)問(wèn)pci空間就是outbound訪(fǎng)問(wèn)。

1.2、x86系列的CPU空間和PCI空間互訪(fǎng)：

對x86 cpu來(lái)說(shuō)，就沒(méi)有了cpu地址空間和pci地址空間之分，這兩個(gè)空間是重合的。所以pci外設和cpu之間的相互訪(fǎng)問(wèn)就不需要設置地址轉換窗口：
Inbound訪(fǎng)問(wèn)：pci設備訪(fǎng)問(wèn)cpu空間，這個(gè)不需要設置inbound窗口，對外設來(lái)說(shuō)所有的地址空間都是可以訪(fǎng)問(wèn)的。
Outbound訪(fǎng)問(wèn)：cpu訪(fǎng)問(wèn)pci外設，這個(gè)也還需要保留一段cpu地址給外設，讓外設的窗口能映射到這段空間來(lái)，即MMIO空間。有點(diǎn)類(lèi)似于Outbound窗口，但是不需要地址轉換。

1.3、x86系列的IO空間和CFG空間：

由于x86 cpu對pci標準的完美支持，所以x86 cpu還支持pci的io空間訪(fǎng)問(wèn)和pci的配置空間訪(fǎng)問(wèn):
io空間：pci標準規定的io地址空間最大可以有4G，但是x86只實(shí)現了64k的大小。io空間用來(lái)實(shí)現早期兼容的外設寄存器的訪(fǎng)問(wèn)（IO端口），和用來(lái)映射pci外設的io空間。
配置空間：用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)pci總線(xiàn)設備的配置空間，而x86也把內部的寄存器組織成虛擬的pci設備，使用訪(fǎng)問(wèn)pci配置寄存器的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)內部寄存器。
訪(fǎng)問(wèn)配置空間的方法有兩種：一是通過(guò)CF8/CFC io端口的間接訪(fǎng)問(wèn)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)配置空間；二是通過(guò)mmcfg方式，把配置空間映射到memory空間來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。對每個(gè)配置空間來(lái)說(shuō)，CF8/CFC方式只能訪(fǎng)問(wèn)傳統的pci配置空間256字節，而mmcfg訪(fǎng)問(wèn)方式，能訪(fǎng)問(wèn)pcie的整個(gè)配置空間4k。

2、x86 CPU地址空間分配

本節以系統的橋片為例，來(lái)說(shuō)明x86系列cpu的地址空間分配。x86 其他系列cpu的地址空間分配類(lèi)似。
x86 xeon系列cpu 在32位系統下面，通過(guò)PAE(Physical address Extension)機制可以訪(fǎng)問(wèn)到36位的地址，即最大64G的空間。

2.1、0-1M 兼容空間：

0-FFFFF	0-640k常規內存(MS-DOS Area)	這一段區域就是ram。其中有功能劃分的區域是：起始位置的1 KB被用做BIOS中斷向量表，隨后的1 KB被用做BIOS數據區
A0000-BFFFF	640 – 768 kB Video Buffer Area	1、這一段區域是顯卡的顯示RAM區域，老式的VGA顯示模式直接往這段顯存寫(xiě)數據，就可以顯示?，F在估計只有bios階段使用這種顯示方式，系統起來(lái)后會(huì )開(kāi)啟更高級的顯卡顯示模式。 2、被顯存地址覆蓋的這一塊128K大小的內存，可以被利用起來(lái)當做SMM內存。SMM是CPU一種等級最高的管理模式，所以它的內存在常規下不可以被訪(fǎng)問(wèn)。	1、PCI在支持VGA顯示時(shí)，有個(gè)VGAEN功能，比較特殊，值得關(guān)注。VGA顯卡設備不需要配置常規的pci bar寄存器地址，而只需要使能顯卡所掛在PCI-PCI橋設備的配置寄存器0x3E bit 3(VGA Enable)，顯卡就會(huì )響應專(zhuān)為VGA保留的固定pci memory地址(A0000-BFFFF)和pci io地址(03c0-03df)。 2、什么是SMM模式？ SMM是System Management Mode系統管理模式的縮寫(xiě)。從Intel 386SL開(kāi)始，此后的x86架構微處理器中都開(kāi)始支持這個(gè)模式。在這個(gè)模式中，所有正常執行的軟件，包括操作系統都已經(jīng)暫停運行。只有特別的單獨軟件，具備高特權模式的軟件才能運行。通常這些軟件都是一些固件程序或者是硬件輔助調試器。 x86 處理器的模式Mode模式起始支持的處理器 Real mode Intel 8086 Protected mode Intel 80286 Virtual 8086 mode Intel 80386 Unreal mode Intel 80386 System Management Mode Intel 386SL Long mode AMD Opteron
C0000-CFFFF	768 - 832 kB VGA Video BIOS ROM IDE Hard Disk BIOS ROM Optional Adapter ROM BIOS or RAM UMBs	1、這一段區域存放顯卡的Option Rom還有其他設備的OptionRom（如硬盤(pán)、網(wǎng)卡..）。	這一段區域，是OptionRom和BIOS區域覆蓋了原RAM區域。由于RAM的訪(fǎng)問(wèn)速度遠遠快于這些固件的訪(fǎng)問(wèn)速度，所以通常的做法是把固件中的內容拷貝到相同地址的RAM中，然后再使能RAM而屏蔽原有的固件映射。訪(fǎng)問(wèn)BIOS和OptionRom內容和地址都沒(méi)有改變，但是速度卻加快了。這種做法就叫ROM Shadowing
D0000-DFFFF	832 - 896 kB Optional Adapter ROM BIOS or RAM UMBs	這一段區域也是來(lái)存放設備的OptionRom。如果沒(méi)有OptionRom覆蓋，那就是常規內存
E0000-EFFFF	896 - 960 kB System BIOS Plug and Play Extended Information	擴展BIOS區域。
F0000-FFFFF	960 kB–1 MB System BIOS ROM	常規BIOS區域，映射到BIOS芯片。CPU的第一句指令0xFFFF0就跳到該區域

2.2、1M以上的memory地址空間：

1M-TOLM	低于4G的常規內存	這一段的內存就是低于4G的可用的內存，其中有兩段區域比較特殊。 1、15 MB - 16 MB Window (ISA Hole)傳統的ISA黑洞，現在基本不支持。 2、Extended SMRAM Space (TSEG)擴展SMM內存。前面已經(jīng)有VGA RAM覆蓋的128k內存可做SMM內存使用，系統還允許分配更多的SMM內存。	“Coherency Protocol”Intel 橋片通過(guò)同步協(xié)議保證所有對內存訪(fǎng)問(wèn)的一致性。
HECBASE-(HECBASE+256M)	MMCFG(Memory Mapped Configuration) 映射到memory空間的pci配置寄存器	256M的計算方法： 256bus x 32device x 8function x 4k bytes register = 256M bytes	mmcfg、mmio這兩段區域覆蓋的相同地址的常規內存比較大，怎么樣能使用到這段被覆蓋的內存？芯片組和內存控制其有一種叫做Main Memory Reclaim AddressRange。通過(guò)這個(gè)技術(shù)可將重疊得部分的內存地址印射到4g以上的地址上去，這個(gè)功能是由硬件決定的。
(HECBASE+256M) - (4G-32M)	MMIO(Memory Mapped I/O) 可分配給外設使用的pci memory空間	為什么要在4G以下設置Low MMIO區域，造成內存被分割成兩塊，為什么不能把MMIO都放在4G以上？主要還是為了照顧pci 32/64bit的兼容，32bit的pci地址需要放在4G以下的空間。
(4G-32M) - 4G	CPU-spec	4G以下的32M區域是CPU的一些特殊區域，主要由以下幾部分組成： 1、16M fireware地址； 2、一些直接訪(fǎng)問(wèn)的cpu寄存器； 3、Interrupt、I/O APIC區域；
4G - ram_size	高于4G的常規內存		Coherency Protocol”Intel 橋片通過(guò)同步協(xié)議保證所有對內存訪(fǎng)問(wèn)的一致性。
ram_size -	high MMIO	在高端內存之上一直到CPU支持的最大空間，都可以用來(lái)映射64bit的pci memory外設地址

2.3、x86 io地址空間：

x86只實(shí)現64k大小的io空間，其中低4k是兼容的io空間用做專(zhuān)門(mén)用途，4k以上的io地址空間可以分配給外部設備使用。

2.4、命令操作：

在linux下通過(guò)以下命令查看cpu的地址空間分配：

cat /proc/iomem 查看cpu的pci memory空間分配
cat /proc/ioports 查看cpu的pci io空間分配

3、x86內部寄存器的訪(fǎng)問(wèn)

除了一些是需要直接在memory空間訪(fǎng)問(wèn)的寄存器。x86把大部分內部的寄存器組織成虛擬的pci設備，使用訪(fǎng)問(wèn)pci配置寄存器的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)內部寄存器。

訪(fǎng)問(wèn)配置空間的方法有兩種：

一是通過(guò)CF8/CFC io端口的間接訪(fǎng)問(wèn)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)配置空間；
二是通過(guò)mmcfg方式，把配置空間映射到memory空間來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。對每個(gè)配置空間來(lái)說(shuō)，CF8/CFC方式只能訪(fǎng)問(wèn)傳統的pci配置空間256字節，而mmcfg訪(fǎng)問(wèn)方式，能訪(fǎng)問(wèn)pcie的整個(gè)配置空間4k。

linux內核態(tài)實(shí)現pci配置空間訪(fǎng)問(wèn)的函數有以下：

static inline int pci_read_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 *val)
{
    return pci_bus_read_config_byte (dev->bus, dev->devfn, where, val);
}
static inline int pci_read_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 *val)
{
    return pci_bus_read_config_word (dev->bus, dev->devfn, where, val);
}
static inline int pci_read_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 *val)
{
    return pci_bus_read_config_dword (dev->bus, dev->devfn, where, val);
}
static inline int pci_write_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 val)
{
    return pci_bus_write_config_byte (dev->bus, dev->devfn, where, val);
}
static inline int pci_write_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 val)
{
    return pci_bus_write_config_word (dev->bus, dev->devfn, where, val);
}
static inline int pci_write_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 val)
{
    return pci_bus_write_config_dword (dev->bus, dev->devfn, where, val);
}

這些函數的內部實(shí)現，會(huì )判斷cpu是否進(jìn)行了mmcfg映射。如果已經(jīng)進(jìn)行了mmcfg映射，則使用mmcfg模式訪(fǎng)問(wèn)；如果沒(méi)有實(shí)現mmcfg，則使用CF8/CFC方式訪(fǎng)問(wèn)。
具體的實(shí)現過(guò)程如下：

1、這些函數的定義在driver/pci/access.c，可以看到其中的關(guān)鍵是bus->ops指針:

#define PCI_OP_READ(size,type,len) int pci_bus_read_config_##size     (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int pos, type *value) {                                       int res;                                unsigned long flags;                            u32 data = 0;                               if (PCI_##size##_BAD) return PCIBIOS_BAD_REGISTER_NUMBER;       spin_lock_irqsave(&pci_lock, flags);                    res = bus->ops->read(bus, devfn, pos, len, &data);          *value = (type)data;                            spin_unlock_irqrestore(&pci_lock, flags);               return res;                         }

#define PCI_OP_WRITE(size,type,len) int pci_bus_write_config_##size     (struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int pos, type value)  {                                       int res;                                unsigned long flags;                            if (PCI_##size##_BAD) return PCIBIOS_BAD_REGISTER_NUMBER;       spin_lock_irqsave(&pci_lock, flags);                    res = bus->ops->write(bus, devfn, pos, len, value);         spin_unlock_irqrestore(&pci_lock, flags);               return res;                         }

PCI_OP_READ(byte, u8, 1)
PCI_OP_READ(word, u16, 2)
PCI_OP_READ(dword, u32, 4)
PCI_OP_WRITE(byte, u8, 1)
PCI_OP_WRITE(word, u16, 2)
PCI_OP_WRITE(dword, u32, 4)

2、bus->ops的實(shí)現由arch/i386/pci/common.c中的pci_root_ops結構提供，pci_root_ops結構實(shí)際調用的是raw_pci_ops結構：

static int pci_read(struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, int size, u32 *value)
{
    return raw_pci_ops->read(0, bus->number, devfn, where, size, value);
}

static int pci_write(struct pci_bus *bus, unsigned int devfn, int where, int size, u32 value)
{
    return raw_pci_ops->write(0, bus->number, devfn, where, size, value);
}

struct pci_ops pci_root_ops = {
    .read = pci_read,
    .write = pci_write,
};

3、raw_pci_ops的mmcfg模式實(shí)現在arch/i386/pci/mmconfig.c中定義：

static int pci_mmcfg_read(unsigned int seg, unsigned int bus,
              unsigned int devfn, int reg, int len, u32 *value)
{
    unsigned long flags;
    u32 base;

    if (!value || (bus > 255) || (devfn > 255) || (reg > 4095))
        return -EINVAL;

    base = get_base_addr(seg, bus, devfn);
    if (!base)
        return pci_conf1_read(seg,bus,devfn,reg,len,value);

    spin_lock_irqsave(&pci_config_lock, flags);

    pci_exp_set_dev_base(base, bus, devfn);

    switch (len) {
    case 1:
        *value = readb(mmcfg_virt_addr + reg);
        break;
    case 2:
        *value = readw(mmcfg_virt_addr + reg);
        break;
    case 4:
        *value = readl(mmcfg_virt_addr + reg);
        break;
    }

    spin_unlock_irqrestore(&pci_config_lock, flags);

    return 0;
}

static int pci_mmcfg_write(unsigned int seg, unsigned int bus,
               unsigned int devfn, int reg, int len, u32 value)
{
    unsigned long flags;
    u32 base;

    if ((bus > 255) || (devfn > 255) || (reg > 4095)) 
        return -EINVAL;

    base = get_base_addr(seg, bus, devfn);
    if (!base)
        return pci_conf1_write(seg,bus,devfn,reg,len,value);

    spin_lock_irqsave(&pci_config_lock, flags);

    pci_exp_set_dev_base(base, bus, devfn);

    switch (len) {
    case 1:
        writeb(value, mmcfg_virt_addr + reg);
        break;
    case 2:
        writew(value, mmcfg_virt_addr + reg);
        break;
    case 4:
        writel(value, mmcfg_virt_addr + reg);
        break;
    }

    spin_unlock_irqrestore(&pci_config_lock, flags);

    return 0;
}

4、raw_pci_ops的CF8/CFC方式訪(fǎng)問(wèn)模式實(shí)現在arch/i386/pci/mmconfig.c中定義：

int pci_conf1_read(unsigned int seg, unsigned int bus,
              unsigned int devfn, int reg, int len, u32 *value)
{
    unsigned long flags;

    if (!value || (bus > 255) || (devfn > 255) || (reg > 255))
        return -EINVAL;

    spin_lock_irqsave(&pci_config_lock, flags);

    outl(PCI_CONF1_ADDRESS(bus, devfn, reg), 0xCF8);

    switch (len) {
    case 1:
        *value = inb(0xCFC + (reg & 3));
        break;
    case 2:
        *value = inw(0xCFC + (reg & 2));
        break;
    case 4:
        *value = inl(0xCFC);
        break;
    }

    spin_unlock_irqrestore(&pci_config_lock, flags);

    return 0;
}

int pci_conf1_write(unsigned int seg, unsigned int bus,
               unsigned int devfn, int reg, int len, u32 value)
{
    unsigned long flags;

    if ((bus > 255) || (devfn > 255) || (reg > 255)) 
        return -EINVAL;

    spin_lock_irqsave(&pci_config_lock, flags);

    outl(PCI_CONF1_ADDRESS(bus, devfn, reg), 0xCF8);

    switch (len) {
    case 1:
        outb((u8)value, 0xCFC + (reg & 3));
        break;
    case 2:
        outw((u16)value, 0xCFC + (reg & 2));
        break;
    case 4:
        outl((u32)value, 0xCFC);
        break;
    }

    spin_unlock_irqrestore(&pci_config_lock, flags);

    return 0;
}

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1、基本概念

1.1、非x86系列的CPU空間和PCI空間互訪(fǎng)(以PowerPC為例)：

1.2、x86系列的CPU空間和PCI空間互訪(fǎng)：

1.3、x86系列的IO空間和CFG空間：

2、x86 CPU地址空間分配

2.1、0-1M 兼容空間：

2.2、1M以上的memory地址空間：

2.3、x86 io地址空間：

2.4、命令操作：

3、x86內部寄存器的訪(fǎng)問(wèn)