内容摘自《系统虚拟化：原理与实现》

PCI 总线架构

　　PCI总线是典型的树结构。把北桥中host-PCI桥看做根，总线中其他PCI-PCI桥，PCI-ISA桥（ISA总线转PCI总线桥）等桥设备和

直接连PCI总线的设备看做节点，整个PCI架构可以概括成下图：

　　通过桥，PCI可以很容易被扩展，并且与其他总线相互挂接，构成整个系统的总线网络。与HOST-PCI桥相连的总线称为总线0，

其他层次总线的编号，是在BIOS（或者操作系统）枚举设备时确定的。

设备标识符

　　设备标识符可以看做设备在PCI总线上的地址，它的格式如下所示：

其中8位的bus字段代表设备所在的总线号，故系统中最多有256条总线。Device字段表示设备号，代表在bus所表示总线上的一个设备。

Function表示功能号，标识具体设备上的某个功能单元（逻辑设备）。举一个例子，一块PCI卡，它上面有两个独立的设备，这两个设备

共享一些电子线路，那么这两个设备就是这块PCI卡的两个功能单元。如Function字段长度暗示的，一个独立的PCI设备最多有8个功能

单元，Device和Function一般合起来用， 表示一条总线上一共最多能有256个设备。通常用设备标识符三个字段的缩写BDF来代表它。

PCI配置空间

对于程序员来说，不需要了解PCI设备电路上的实现细节，只需要了解它的接口即可。PCI配置空间就是这么一个接口，其结构如下图所示：

　　PCI设备规范规定，设备的配置空间最多为256个字节，其中前64个字节的格式i和用途是统一的，对程序员来说最重要的是

Base Address Registers和Interrupt Pin，Interrupt Line。

（1） Base Address Registers： 基地址寄存器，也就是常说的PCI bar。它报告设备寄存器或者设备RAM在I/O端口地址空间

（或物理地址空间）的地址。地址是由软件（BIOS或操作系统）动态配置的。通常枚举PCI设备的软件（BIOS或操作系统）会在

获得平台所有PCI设备之后，根据设备数量，按照固定的算法为每个设备的PCI bar分配I/O端口（或物理地址）。设备的电子线路

负责把这些端口（或地址）映射到自身的寄存器上，这样，CPU就可以通过端口号（port I/O方式），物理地址（MMIO方式）访问

到设备了。使用哪种方式访问，由PCI bar的最后一个位表示，该位为1时，表示是I/O端口；该位是0时，表示是MMIO端口。

（2）Interrupt Pin: 中断针脚。 PCI中断线的标准设计是4条：INTA，INTB，INTC，INTD，分别对应值0~3。该寄存器的值表示

设备连接的是哪个中断针脚。

（3）Interrupt Line: 设备的中断线。该寄存器只起一个保护作用，BIOS和操作系统可以自由使用它。BIOS通常用它来保存设备所连

的PIC/IOAPIC的管脚号。

　　x86架构把IO地址空间的0xCF8~0xCFF段预留给了PCI总线，用于访问设备的配置空间。其中前32位的寄存器为“地址寄存器”，后

32位为“值寄存器”。软件把设备的BDF和要访问的配置空间的字节偏移写入“地址寄存器”中，就可以通过“值寄存器”读写该配置空间了。

PCI设备枚举过程

　　PCI设备的枚举过程一般是由BIOS或者操作系统完成的。

　　从前面的PCI总线概要图知道，PCI设备和总线一起构成了树结构，其中PCI-PCI桥是子树的根节点，设备枚举的过程就是要在内存中

建立一颗和实际总线情况相符合的设备树。枚举过程中最重要的步骤是发现PCI-PCI桥。这个可以通过PCI配置空间的HeaderType字段判

断，该字段为1时表示桥设备。PCI-PCI桥主要有三个属性：

• Primary bus： 表示该桥所属的根总线
• Secondary bus： 表示以该桥为根节点的子总线
• Subordinate bus： 表示该桥为根的子树中，最大的总线号

　　下面以上图说明三者的关系。

　　如上图所示，对于“PCI-PCI桥1”，其Primary bus为总线0，Secondary bus为总线1，而以它为根的总线中最大的总线

号为2，所以其Subordinate bus为总线2。

　　设备枚举从根节点HOST-PCI桥开始，首先探测总线0上的各个设备。当探测到第一个桥设备时，为其分配Primary bus号和

Secondary bus号，其中Secondary bus号为1（即当前系统中最大总线号加1），Subordinate bus号暂时和Secondary bus

号相同，当在子树中发现新总线后会自动调整该值。接着以该桥为根节点，继续探测其下属总线，其过程与前面相同，发现第一个

桥设备后则以其为根继续往下探测，如此反复知道所有的子树都探测完毕。

　　当PCI-PCI桥收到写入0xCF8中的BDF后，会将Bus字段与自身的Secondary Bus相比，相符则在下属总线上搜索设备；如果

不相符，当Bus值落在Subordinate bus范围内，则将该地址传递给下属总线中各桥，否则不予理睬。

　　通过这种方式，BIOS或者操作系统可以枚举出总线上所有设备并为之分配资源，一旦PCI配置空间设定好，软件就可以通过PCI

bar直接访问设备了。

系统虚拟化学习笔记——PCI设备