PCIE协议及PCIE体系结构说明

一、link和lane

一组link就是连接两个port之间的若干条lane，通常为x1/x2/x4/x8/x16。每条lane包含四根线tx_p/m，rx_p/m(两组差分对)。这里的port/component可以理解为一个设备，如果pcie支持bifurcation，则一个x16的接口可以连接多个port(2个x8/1个x16/4个x4/8个x2等)，每个port中每条lane的linkID相同，不同port间的linkID不同。

二、PCIE体系结构说明

Root Complex：

RC是CPU和PCIE总线连接的接口。主要功能是完成存储器域到PCIE总线域的地址转换，随着虚拟化技术的引入，RC功能也越来越复杂。RC把来自CPU的request转化成PCIE的4类request(configuration、memory、I/O、message)并发送给下面的设备。

Switch & Bridge

Switch提供了分散/聚合的功能，它允许更多的设备接入到一个PCIE port。它扮演了数据包路由的功能。Bridge提供了一个转换接口用来连接其他的总线，如PCI/PCI-X。这样可以允许在PCIE的系统中接入一张旧的PCI设备。

PCIE Endpoint：

它只有一个上游端口，位于PCIE拓扑结构的树的末端。他作为请求的发起者或者完成者。分为Legacy Endpoint、PCIE Endpoint和Root Complex Integrated Endpoint三种。

虚拟化技术：

虚拟化可以理解为一台电脑运行了两套系统，比如我们在windows下安装linux虚拟机，两套操作系统共用一套硬件，这要求每套系统的存储域范围不重叠，即对应了两套地址转换，将存储器地址转换为不同的物理地址，以此实现一套硬件运行多系统。虚拟化技术的核心是地址的映射和转换。

三、PCIE lane翻转和PN翻转

为了方便板子布线，允许lane翻转

每条lane的差分信号也可翻转。

lane翻转和pn极性翻转有以下要求：

1、PN翻转无限制，可翻转部分lane，也可只翻转TX或RX

2、lane翻转必须全部翻转，不能部分翻转

3、lane翻转TX/RX必须同时翻转，不能只翻转TX或RX

4、lane翻转和PN翻转可以同时存在

四、吞吐量

PCIE gen1/2使用8b/10b编码，编码效率为0.8

PCIE gen3/4/5使用128b/130b≈0.985

PCIE 5.0x4的速率为:32Gbpsx4x128÷130÷8b/B≈15.754GB/s

 五、PCIE枚举图开机启动时软件会扫描系统中的所有PCIE设备(PCIE枚举)，对软件而言，Bus/Device/Function是必不可少的。 Bus：在一个系统中存在1~256个bus； Device：在一条bus中存在1~32个设备； Function：每个设备有1~8个功能；

对于每个中间桥而言，三条Bus必须知道：Primary Bus/Secondary Bus/Subordinate Bus： Primary Bus：上游bus号 Secondary Bus：下游第一级bus号 Subordinate Bus：下游最大的bus号

 六、PCIE设备与系统地址映射

PCIE设备有四种地址空间： 1、Configuration Space配置空间； 2、Memory Space存储空间； 3、I/O Space空间，存在于老的PCI设备； 4、Message Space，PCIE设备新增，包含边带指示信号，比如中断； 这些PCIE总线地址空间需要在初始化时就映射为存储器域的存储器地址空间，方便处理器访问。系统软件对PCIE总线进行配置时，首先获得BAR寄存器的初始化信息，之后根据处理器系统的配置，将合理的基地址写入到相应的BAR寄存器中，这个过程在BIOS运行阶段和OS启动阶段完成。系统软件还可以使用该寄存器获得PCIE设备使用的BAR空间的长度，其方法是向BAR寄存器写入0xFFFF_FFFF后再读取该寄存器。每个PCIE设备在BAR中描述自己需要占用多少地址空间，BIOS或OS通过所有设备的这些信息构建一张完整的地址映射表，描述系统中资源的分配情况，然后再合理地将地址空间配置给每个PCI设备。BAR在bit0来表示该设备是映射到memory还是I/O，BAR的bit0是readonly的，就是说设备寄存器映射到memory还是I/O是由设备制造商决定的，其他人无法修改。

PCI的配置空间如上图所示，每个设备的每个function都有独立的配置空间，大小为256B，前64B为表头，PCIE设备的配置空间拓展为4KB。 所有PCI的配置空间为： 16MB=256Busx32Device/Busx8Function/Devicex256B/Func 所有PCIE的配置空间为： 256MB=256Busx32Device/Busx8Function/Devicex4KB/Func   X86架构地址又分为memory space和I/O space。I/O space可以理解为直接寄存器读写地址空间，属于X86早期产物，访问速率较慢。 x86：32bit(4GB) x64：64bit(16EB) I/O space：16bit(64KB)

从上图可知Memory地址前640KB为Conventional Memory，1MB间的为Boot ROM，中间一段为DRAM内存，其余的分配给PCI存储器域。I/O地址中可以通过CF8-CFB和CFC-CFF访问PCI的16MB配置空间，剩下的为各PCI设备映射的I/O地址空间。对于PCIE而言，配置空间通过memory的方式映射(MMIO)，不再通过I/O Map的方式访问，这会占用一部分系统内存，也是内存用不满的原因(还有主板上的集成显卡/BIOS等也会占用内存)。  

编辑：黄飞