PCI总线的存储器读写总线事务

下文以图1‑1的处理器系统中的PCI设备11向存储器进行DMA写操作为例，说明Posted传送方式的实现过程。PCI设备11进行DMA写操作时使用存储器写总线事务，当PCI设备11获得PCI总线x1的使用权后，将发送存储器写总线事务到PCI总线x1。当PCI桥1发现这个总线事务的地址不在该桥管理的地址范围内将首先接收这个总线事务，并结束PCI总线x1的总线事务。

此时PCI总线x1使用的资源已被释放，PCI设备11和PCI设备12可以使用PCI总线x1进行通信。PCI桥1获得PCI总线x0的使用权后，将转发这个存储器写总线事务到PCI总线x0，之后HOST主桥x将接收这个存储器写总线事务，并最终将数据写入主存储器。

由以上过程可以发现，Posted数据请求在通过PCI总线之后，将逐级释放总线资源，因此PCI总线的利用率较高。而使用Non-Posted方式进行数据传送的处理过程与此不同，Non-Posted数据请求在通过PCI总线时，并不会及时释放总线资源，从而在某种程度上影响PCI总线的使用效率和传送带宽。

1.3.3HOST处理器访问PCI设备

HOST处理器对PCI设备的数据访问主要包含两方面内容，一方面是处理器向PCI设备发起存储器和I/O读写请求；另一方面是处理器对PCI设备进行配置读写。

在PCI设备的配置空间中，共有6个BAR寄存器。每一个BAR寄存器都与PCI设备使用的一组PCI总线地址空间对应，BAR寄存器记录这组地址空间的基地址。本书将与BAR寄存器对应的PCI总线地址空间称为BAR空间，在BAR空间中可以存放I/O地址空间，也可以存放存储器地址空间。

PCI设备可以根据需要，有选择地使用这些BAR空间。值得注意的是，在BAR寄存器中存放的是PCI设备使用的“PCI总线域”的物理地址，而不是“存储器域”的物理地址，有关BAR寄存器的详细介绍见第2.3.2节。

HOST处理器访问PCI设备I/O地址空间的过程，与访问存储器地址空间略有不同。有些处理器，如x86处理器，具有独立的I/O地址空间。x86处理器可以将PCI设备使用的I/O地址映射到存储器域的I/O地址空间中，之后处理器可以使用IN，OUT等指令对存储器域的I/O地址进行访问，然后通过HOST主桥将存储器域的I/O地址转换为PCI总线域的I/O地址，最后使用PCI总线的I/O总线事务对PCI设备的I/O地址进行读写访问。在x86处理器中，存储器域的I/O地址与PCI总线域的I/O地址相同。

对于有些没有独立I/O地址空间的处理器，如PowerPC处理器，需要在HOST主桥初始化时，将PCI设备使用的I/O地址空间映射为处理器的存储器地址空间。PowerPC处理器对这段“存储器域”的存储器空间进行读写访问时，HOST主桥将存储器域的这段存储器地址转换为PCI总线域的I/O地址，然后通过PCI总线的I/O总线事务对PCI设备的I/O地址进行读写操作。

在PCI总线中，存储器读写事务与I/O读写事务的实现较为类似。首先HOST处理器在初始化时，需要将PCI设备使用的BAR空间映射到“存储器域”的存储器地址空间。之后处理器通过存储器读写指令访问“存储器域”的存储器地址空间，HOST主桥将“存储器域”的读写请求翻译为PCI总线的存储器读写总线事务之后，再发送给目标设备。

值得注意的是，存储器域和PCI总线域的概念，PCI设备能够直接使用的地址为PCI总线域的地址，在PCI总线事务中出现的地址也为PCI总线域的地址；而处理器能够直接使用的地址为存储器域的地址。理解存储器域与PCI总线域的区别对于理解PCI总线至关重要，本篇将在第2.1节专门讨论这两个概念。

以上对PCI总线的存储器与I/O总线事务的介绍并没有考虑PCI桥的存在，如果将PCI桥考虑进来，情况将略微复杂一些。下文将以图1‑1为例说明处理器如何通过HOST主桥和PCI桥1对PCI设备11进行存储器读写操作。当处理器对PCI设备11进行存储器写操作时，这些数据需要通过HOST主桥x和PCI桥x1，最终到达PCI设备11，其访问步骤如下。值得注意的是，以下步骤忽略PCI总线的仲裁过程。

(1)首先处理器将要传递的数据放入通用寄存器中，之后向PCI设备11映射到的存储器域的地址进行写操作。值得注意的是，处理器并不能直接访问PCI设备11的PCI总线地址空间，因为这些地址空间是属于PCI总线域的，处理器所能直接访问的空间是存储器域的地址空间。处理器必须通过HOST主桥将存储器域的数据访问转换为PCI总线事务才能对PCI总线地址空间进行访问。

(2)HOST主桥x接收来自处理器的存储器写请求，之后处理器结束当前存储器写操作，释放系统总线。HOST主桥x将存储器域的存储器地址转换为PCI总线域的PCI总线地址。并向PCI总线x0发起PCI写请求总线事务。值得注意的是，虽然在许多处理器系统中，存储器地址和PCI总线地址完全相等，但其含义完全不同。

(3)PCI总线x0上的PCI设备01、PCI设备02和PCI桥1将同时监听这个PCI写总线事务。最后PCI桥x1接收这个写总线事务，并结束来自PCI总线x0的PCI总线事务。之后PCI桥x1向PCI总线x1发起新的PCI总线写总线事务。

(4)PCI总线x1上的PCI设备11和PCI设备12同时监听这个PCI写总线事务。最后PCI设备11通过地址译码方式接收这个写总线事务，并结束来自PCI总线x1上的PCI总线事务。

由以上过程可以发现，由于存储器写总线事务使用Posted传送方式，因此数据通过PCI桥后都将结束上一级总线的PCI总线事务，从而上一级PCI总线可以被其他PCI设备使用。如果使用Non-Posted传送方式，直到数据发送到PCI设备11之后，PCI总线x1和x0才能依次释放，从而在某种程度上将造成PCI总线的拥塞。

处理器对PCI设备11进行I/O写操作时只能采用Non-Posted方式进行，与Posted方式相比，使用Non-Posted方式，当数据到达目标设备后，目标设备需要向主设备发出“回应[1]”，当主设备收到这个“回应”后才能结束整个总线事务。本节不再讲述处理器如何对PCI设备进行I/O写操作，请读者思考这个过程。

处理器对PCI设备11进行存储器读时，这个读请求需要首先通过HOST主桥x和PCI桥x1到达PCI设备，之后PCI设备将读取的数据再次通过PCI桥x1和HOST主桥x传递给HOST处理器，其步骤如下所示。我们首先假设PCI总线没有使用Delayed传送方式处理Non-Posted总线事务，而是使用纯粹的Non-Posted方式。

(1)首先处理器准备接收数据使用的通用寄存器，之后向PCI设备11映射到的存储器域的地址进行读操作，

(2)HOST主桥x接收来自处理器的存储器读请求。HOST主桥x进行存储器地址到PCI总线地址的转换，之后向PCI总线x0发起存储器读总线事务。

(3)PCI总线x0上的PCI设备01、PCI设备02和PCI桥x1将监听这个存储器读请求，之后PCI桥1接收这个存储器读请求。然后PCI桥x1向PCI总线x1发起新的PCI总线读请求。

(4)PCI总线x1上的PCI设备11和PCI设备12监听这个PCI读请求总线事务。最后PCI设备11接收这个存储器读请求总线事务，并将这个读请求总线事务转换为存储器读完成总线事务之后，将数据传送到PCI桥x1，并结束来自PCI总线x1上的PCI总线事务。

(5)PCI桥x1将接收到的数据通过PCI总线x0，继续上传到HOST主桥x，并结束PCI总线x0上的PCI总线事务。

(6)HOST主桥x将数据传递给处理器，最终结束处理器的存储器读操作。

显然这种方式与Posted传送方式相比，PCI总线的利用率较低。因为只要HOST处理器没有收到来自目标设备的“回应”，那么HOST处理器到目标设备的传送路径上使用的所有PCI总线都将被阻塞。因而PCI总线x0和x1并没有被充分利用。

由以上例子，我们可以发现只有“读完成”依次通过PCI总线x1和x0之后，存储器读总线事务才不继续占用PCI总线x1和x0的资源，显然这种数据传送方式并不合理。因此PCI总线使用Delayed传送方式解决这个总线拥塞问题，有关Delayed传送方式的实现机制见第1.3.5节。

1.3.4PCI设备读写主存储器

PCI设备与存储器直接进行数据交换的过程也被称为DMA。与其他总线的DMA过程类似，PCI设备进行DMA操作时，需要获得数据传送的目的地址和传送大小。支持DMA传递的PCI设备可以在其BAR空间中设置两个寄存器，分别保存这个目标地址和传送大小。这两个寄存器也是PCI设备DMA控制器的组成部件。

值得注意的是，PCI设备进行DMA操作时，使用的目的地址是PCI总线域的物理地址，而不是存储器域的物理地址，因为PCI设备并不能识别存储器域的物理地址，而仅能识别PCI总线域的物理地址。

HOST主桥负责完成PCI总线地址到存储器域地址的转换。HOST主桥需要进行合理设置，将存储器的地址空间映射到PCI总线之后，PCI设备才能对这段存储器空间进行DMA操作。PCI设备不能直接访问没有经过主桥映射的存储器空间。

许多处理器允许PCI设备访问所有存储器域地址空间，但是有些处理器可以设置PCI设备所能访问的存储器域地址空间，从而对存储器域地址空间进行保护。例如PowerPC处理器的HOST主桥可以使用Inbound寄存器组，设置PCI设备访问的存储器地址范围和属性，只有在Inbound寄存器组映射的存储器空间才能被PCI设备访问，本篇将在第2.2节详细介绍PowerPC处理器的这组寄存器。

由上所述，在一个处理器系统中，并不是所有存储器空间都可以被PCI设备访问，只有在PCI总线域中有映像的存储器空间才能被PCI设备访问。经过HOST主桥映射的存储器，具有两个“地址”，一个是在存储器域的地址，一个是在PCI总线域的PCI总线地址。当处理器访问这段存储器空间时，使用存储器地址；而PCI设备访问这段内存时，使用PCI总线地址。在多数处理器系统中，存储器地址与PCI总线地址相同，但是系统程序员需要正确理解这两个地址的区别。

下文以PCI设备11向主存储器写数据为例，说明PCI设备如何进行DMA写操作。

(1)首先PCI设备11将存储器写请求发向PCI总线x1，注意这个写请求使用的地址是PCI总线域的地址。

(2)PCI总线x1上的所有设备监听这个请求，因为PCI设备11是向处理器的存储器写数据，所以PCI总线x1上的PCI Agent设备都不会接收这个数据请求。

(3)PCI桥x1发现当前总线事务使用的PCI总线地址不是其下游设备使用的PCI总线地址，则接收这个数据请求，有关PCI桥的Secondary总线接收数据的过程见第3.2.1节。此时PCI桥x1将结束来自PCI设备11的Posted存储器写请求，并将这个数据请求推到上游PCI总线上，即PCI总线x0上。

(4)PCI总线x0上的所有PCI设备包括HOST主桥将监听这个请求。PCI总线x0上的PCI Agent设备也不会接收这个数据请求，此时这个数据请求将由HOST主桥x接收，并结束PCI桥x1的Posted存储器写请求。

(5)HOST主桥x发现这个数据请求发向存储器，则将来自PCI总线x0的PCI总线地址转换为存储器地址，之后通过存储器控制器将数据写入存储器，完成PCI设备的DMA写操作。

PCI设备进行DMA读过程与DMA写过程较为类似。不过PCI总线的存储器读总线事务只能使用Non-Posted总线事务，其过程如下。