存储器域与PCI总线域

2.1.2PCI总线域

在x86处理器系统中，PCI总线域是外部设备域的重要组成部分。实际上在Intel的x86处理器系统中，所有的外部设备都使用PCI总线管理。而AMD的x86处理器系统中还存在一条HT(HyperTransport)总线，在AMD的x86处理器系统中还存在HT总线域。本书对HT总线不做进一步介绍。

PCI总线域(PCI Segment)由PCI设备所能直接访问的地址空间组成。在一个处理器系统中，可能存在多个HOST主桥，因此也存在多个PCI总线域。如在图2‑1所示的处理器系统中，具有两个HOST主桥，因而在这个处理器系统中存在PCI总线x和y域。

在多数处理器系统中，分属于两个PCI总线域的PCI设备并不能直接进行数据交换，而需要通过FSB进行数据交换。值得注意的是，如果某些处理器的HOST主桥支持Peer-to-Peer数据传送，那么这个HOST主桥可以支持不同PCI总线域间的数据传送。

PowerPC处理器使用了OCeaN技术连接两个HOST主桥，OCeaN可以将属于x域的PCI数据请求转发到y域，OCeaN支持PCI总线的Peer-to-Peer数据传送。有关OCeaN技术的详细说明见第2.2节。

2.1.3处理器域

处理器域是指一个处理器系统能够访问的地址空间集合。处理器系统能够访问的地址空间由存储器域和外部设备域组成。其中存储器域地址空间较为简单，而在不同的处理器系统中，外部设备域的组成结构并不相同。如在x86处理器系统中，外部设备域主要由PCI总线域组成，因为大多数外部设备都是挂接在PCI总线[4]上的，而在PowerPC处理器和其他处理器系统中，有相当多的设备与FSB直接相连，而不与PCI总线相连。

本书仅介绍PCI总线域而不对其他外部设备域进行说明。其中存储器域与PCI总线域之间由HOST主桥联系在一起。深入理解这些域的关系是深入理解PCI体系结构的关键所在，实际上这也是理解处理器体系结构的基础。

通过HOST主桥，处理器系统可以将处理器域划分为存储器域与PCI总线域。其中存储器域与PCI总线域，彼此独立，并通过HOST主桥进行数据交换。HOST主桥是联系存储器域与PCI总线域的桥梁，是PCI总线域实际的管理者。

有些书籍认为HOST处理器是PCI总线域的管理者，这种说法并不精确。假设在一个SMP(symmetric multiprocessing)处理器系统中，存在4个CPU而只有一个HOST主桥，这4个CPU将无法判断究竟谁是HOST处理器。不过究竟是哪个处理器作为HOST处理器并不重要，因为在一个处理器系统中，是HOST主桥管理PCI总线域，而不是HOST处理器。当一个处理器系统中含有多个CPU时，如果这些CPU都可以访问HOST主桥，那么这些CPU都可以作为这个HOST主桥所管理PCI总线树的HOST处理器。

在一个处理器系统中，CPU所能访问的PCI总线地址一定在存储器域中具有地址映射；而PCI设备能访问的存储器域的地址也一定在PCI总线域中具有地址映射。当CPU访问PCI域地址空间时，首先访问存储器域的地址空间，然后经过HOST主桥转换为PCI总线域的地址，再通过PCI总线事务进行数据访问。而当PCI设备访问主存储器时，首先通过PCI总线事务访问PCI总线域的地址空间，然后经过HOST主桥转换为存储器域的地址后，再对这些空间进行数据访问。

由此可见，存储器域与PCI总线域的转换关系由HOST主桥统一进行管理。有些处理器提供了一些寄存器进行这种地址映射，如PowerPC处理器使用Inbound和Outbound寄存器组保存存储器域与PCI总线域的地址映射关系；而有些处理器并没有提供这些寄存器，但是存储器域到PCI总线域的转换关系依然存在。

HOST主桥进行不同地址域间的数据交换时，需要遵循以下规则。为区别存储器域到PCI总线域的地址映射，下文将PCI总线域到存储器域的地址映射称为反向映射。

(1)处理器访问PCI总线域地址空间时，首先需要访问存储器域的地址空间，之后通过HOST主桥将存储器地址转换为PCI总线地址，之后才能进入PCI总线域进行数据交换。PCI设备使用的地址空间保存在各自的PCI配置寄存器中，即BAR寄存器中。这些PCI总线地址空间需要在初始化时映射成为存储器域的存储器地址空间，之后处理器才能访问这些地址空间。在有些处理器的HOST主桥中，具有独立的寄存器保存这个地址映射规则，如PowerPC处理器的Outbound寄存器组；而有些处理器，如在x86处理器中，虽然没有这样的寄存器组，但是在HOST主桥的硬件逻辑中仍然存在这个地址转换的概念。

(2)PCI设备访问存储器域时，首先需要访问PCI总线域的地址空间，之后通过HOST主桥将PCI总线地址转换为存储器地址，之后才能穿越HOST主桥进行数据交换。为此处理器需要通过HOST主桥将这个PCI总线地址反向映射为存储器地址。PCI设备不能访问在PCI总线域中没有进行这种反向映射的存储器域地址空间。PowerPC处理器使用Inbound寄存器组存放PCI设备所能访问的存储器空间，而在x86处理器中并没有这样的寄存器组，但是依然存在这个地址转换的概念。

(3)如果HOST主桥不支持Peer-to-Peer传送方式，那么分属不同PCI总线域的PCI设备间不能直接进行数据交换。在32位的PCI总线中，每一个PCI总线域的地址范围都是0x0000-0000~0xFFFF-FFFF，但是这些地址没有直接联系。PCI总线x域上的PCI总线地址0x0000-0000与PCI总线y域上的PCI总线地址0x0000-0000并不相同，而且这两个PCI总线地址经过HOST主桥反向映射后，得到的存储器地址也不相同。

本篇在第2.2节中，主要以PowerPC处理器为例说明HOST主桥的实现机制，并在第2.2.4节简要说明了x86处理器中的南北桥构架。尽管部分读者对PowerPC处理器并不感兴趣，笔者仍然强烈建议读者仔细阅读第2.2节的全部内容。

在PowerPC处理器中，HOST主桥的实现比较完整，尤其是PCI总线域与存储器域的映射关系比较明晰，便于读者准确掌握这个重要的概念。而x86处理器由于考虑向前兼容，设计中包含了太多的不得已，x86处理器有时不得不保留原设计中的不完美，向前兼容是Intel的重要成就，也是一个沉重的十字架。