了解 PCI 地址映射

Question

我正在研究 PC 架构，但觉得我没有掌握 PCI 地址的基础知识。

PCI中有三个地址空间：内存、输入输出端口和配置。我知道 CPU 可以使用不同的命令区分内存和端口，但是在 PCI 中会发生什么？我们在总线上有几个命令（读/写这些空间，中断处理等）。我认为在读取内存空间时，我们寻址到物理 RAM 地址，但在阅读了一些手册后，看起来我们寻址的是内部设备的内存。

1. 为什么要使用内存映射？这是否意味着当某个程序写入映射到某个 PCI 设备的 RAM 地址时，它实际上是写入设备内存？为什么不使用标准IO口写？
2. 如果需要，如何访问实内存？例如，如果设备想要将一些数据存储在 RAM 中，该请求将如何与“内存空间”访问区分开来？

Answer 1

除了 PCI 规范定义的 256 字节配置空间之外，还有自己的内存（在端点设备本身上）的 PCI 端点设备。必须将此内存带入系统地址空间，以便系统访问它。有两种方法可以将此内存带入系统地址空间 -

1. 端口映射 IO - 用于访问 IO 设备的地址空间，将通过特殊指令 IN & OUT（在 x86 上）访问。x86 使用 0xCFC（配置数据端口）和 0xCF8（配置地址端口）来访问 PCI 端点设备。

2. 内存映射 IO - 物理地址空间的一个区域是为内存映射区域保留的，将由诸如 LOAD 和 STORE 之类的内存指令访问。对该 MMIO 区域的访问将以关联的端点设备为目标。

所以当一条指令从处理器出来时，它要么进入内存，要么就是一个 IO 操作。在系统中，我们的 IO 地址空间非常有限（x86 机器为 64KB），但物理地址空间非常大。此外，通过端口映射 IO 访问 PCI 端点设备相对较慢，因为它需要更多的 CPU 周期。访问内存更快，因为它需要更少的 CPU 周期，因此 MMIO 是比端口映射 IO 更好的方法。

注意：在枚举过程中，BIOS 必须访问设备的配置空间来进行初始化。此时PCI中只有一种访问设备的方式称为“PCI配置空间访问”机制，即使用Port 0xCFC & 0xCF8访问配置空间，然后BIOS设置End point请求的MMIO范围设备。

注意：当我们说“物理地址空间”时，它意味着 CPU 可以访问的地址范围。例如，64 位处理器最多可以有 2^64 = 16EB（取决于正在使用的地址线），这是巨大的地址范围。“物理地址空间”并不意味着它在 RAM 内的地址范围。

注意：PCI-SIG（PCI - Special Interest group）的 PCI Express 规范建议不要实现 IO 地址空间，IO 地址空间可能会在未来的 PCIe 修订版/规范中完全删除。