[虚拟化/云][全栈demo] 为qemu增加一个PCI的watchdog外设（五）

目的：

1. 了解PCI的基本知识，为完成watchdog的设备做准备。

准备知识：

简单的说，PCI 设备分3个空间。配置空间，IO空间，内存地址空间。

PCI设备厂家决定了外设是使用IO空间还是IO内存空间。我们通过读取配置空间的bar寄存器的最低位bit0来决定是该设备使用的是IO空间还是内存地址空间。

计算机一启动，bois或者linux会根据域，总线号、设备号和功能号，按照一定的算法，扫描PCI设备，读取设备配置空间的信息。最主要的包括厂商ID，设备ID和bar寄存器中设备的外设地址。

以下的这些内容可以不看。

具体的PCI的知识可参考： http://tldp.org/HOWTO/PCI-HOWTO.html

PCI硬件结构（PCI系统示意图）：

了解的概念

domain， bus，devcie，function（PCI设备 = "域号, 总线号, 设备号, 和功能号"的组合）

image: http://blog.sina.com.cn/s/blog_6472c4cc0100qg5i.html

image: http://blog.sina.com.cn/s/blog_6472c4cc0100qtdo.html

详情： http://blog.sina.com.cn/s/blog_6472c4cc0100qbvs.html

PCI 寻址

每个 PCI 外设有一个总线号, 一个设备号, 一个功能号标识. PCI 规范允许单个系统占用多达 256 个总线, 但是因为 256 个总线对许多大系统是不够的, Linux 现在支持 PCI 域. 每个 PCI 域可以占用多达 256 个总线. 每个总线占用 32 个设备, 每个设备可以是一个多功能卡(例如一个声音设备, 带有一个附加的 CD-ROM 驱动)有最多 8 个功能. 因此, 每个功能可在硬件层次被一个 16-位地址或者 key , 标识. Linux 的设备驱动编写者, 然而, 不需要处理这些二进制地址, 因为它们使用一个特定的数据结构, 称为 pci_dev, 来在设备上操作.

$ lspci | cut -d: -f1-3

0000:00:00.0 Host bridge

0000:00:00.1 RAM memory

....

0000:00:14.0 VGA compatible controller

$ cat /proc/bus/pci/devices | cut -f1

0000

0001

...

00a0

0x00a0(0b10100000) 意思是 0000:00:14.0 当划分为域(16位), 总线(8位), 设备(5位)和功能(3位).

驱动概念

与USB驱动总线型的驱动类似， Linux PCI设备驱动实际包括Linux PCI设备驱动和设备本身驱动两部分。

就是Linux PCI驱动是内核自带的，或者说内核帮你写好了！而我们需要完成的就是设备本身的驱动，比如网卡驱动等。

这个与windows的驱动也是类似的。比如说我们需要开发一个基于USB的windows的打印机，我们只需要关心打印机的驱动即可。

三种地址空间

PCI I/O空间、PCI内存地址空间和PCI配置空间。

PCI I/O空间和PCI内存地址空间由设备驱动程序(即上面提到的设备本身驱动)使用。

PCI配置空间由Linux PCI初始化代码使用，这些代码用于配置PCI设备，比如中断号以及I/O或内存基地址。

枚举过程

熟悉USB开发的工程师知道USB host跟device的第一次通信都是采用0x00相同的地址，然后进行配置，分配给一个新的唯一地址。

PCI的枚举过程类似。 http://blog.csdn.net/linuxdrivers/article/details/5849698

对于i386结构的处理器，PCI总线的设计者在I/O地址空间保留了8个字节用于枚举过程中的配置，那就是0xCF8~0xCFF。这8个字节构成了两个32位的寄存器，第一个是“地址寄存器”0xCF8，第二个是“数据寄存器”0xCFC。要访问某个设备中的某个配置寄存器时，CPU先往地址寄存器中写入目标地址，然后通过数据寄存器读写数据。不过，写入地址寄存器的目标地址是一种总线号、设备号、功能号以及设备寄存器地址在内的综合地址。

这里的总线号、设备号和功能号是对配置寄存器地址的扩充，就是上面提到的附加的其他条件。首先每个PCI总线都有个总线号，主总线的总线号为0，其余的则由CPU在枚举阶段每当探测到一个PCI桥时便为其指定一个，依次递增。设备号一般代表着一块PCI接口卡(更确切的说是PCI总线接口芯片)，通常取决于插槽的位置。每块PCI接口卡上可以有若干个功能模块，这些功能模块共用一个PCI总线接口芯片，包括其中用于地址映射的电子线路，以降低成本。从逻辑的角度说，每个“功能”实际上就是一个设备(看过USB设备驱动的人很眼熟吧呵呵)，所以设备号和功能号合在一起又可以称作“逻辑设备号”，而每块卡上最多可以容纳8个设备。显然，这些字段(指整个32bit)结合在一起就惟一确定了系统中的一项PCI逻辑设备。开始时，只有0号总线可以访问，在扫描0号总线时如果发现上面某个设备是PCI桥，就为之指定一个新的总线号，例如1，这样1号总线就可以访问了，这就是枚举阶段的任务之一。

IO/MMIO

IO作为CPU和外设交流的一个渠道，主要分为两种，一种是Port I/O，一种是MMIO(Memory mapping I/O)。

I/O地址空间
我们常说的I/O端口，它实际上的应该被称为I/O地址空间。

对于x86架构来说，通过IN/OUT指令访问。PC架构一共有65536个8bit的I/O端口，组成64KI/O地址空间，编号从0~0xFFFF。连续两个8bit的端口可以组成一个16bit的端口，连续4个组成一个32bit的端口。I/O地址空间和CPU的物理地址空间是两个不同的概念，例如 I/O地址空间为64K，一个32bit的CPU物理地址空间是4G。

MMIO

MMIO我们可以想访问内存一样访问IO端口。
MMIO占用CPU的物理地址空间，对它的访问可以使用CPU访问内存的指令进行。一个形象的比喻是把文件用mmap()后，可以像访问内存一样访问文
件、同样，MMIO是用访问内存一样的方式访问I/O资源，如设备上的内存。MMIO不能被cache，（有特殊情
况，如VGA）。

Port I/O和MMIO的主要区别在于

1）前者不占用CPU的物理地址空间，后者占有（这是对x86架构说的，一些架构，如IA64，port
I/O占用物理地址空间）。

2）前者是顺序访问。也就是说在一条I/O指令完成前，下一条指令不会执行。例如通过Port
I/O对设备发起了操作，造成了设备寄存器状态变化，这个变化在下一条指令执行前生效。uncache的MMIO通过uncahce
memory的特性保证顺序性。

3）使用方式不同

由于port
I/O有独立的64KI/O地址空间，但CPU的地址线只有一套，所以必须区分地址属于物理地址空间还是I/O地址空间。早期的CPU有一个M/I针脚来
表示当前地址的类型，后来似乎改了。刚才查了一下，叫request command line，不知道是不是一个针脚。

IBM
PC架构规定了一些固定的I/O端口，ISA设备通常也有固定的I/O端口，这些可以通过ICH（南桥）的规范查到。PCI设备的I/O端口和MMIO基
地址通过设备的PCI configure space报告给操作系统，这些内容以前的帖子都很多，可以查阅一下。

通常遇到写死在I/O指令中的I/O端口，如果不是ISA设备，一般都是架构规定死的端口号，可查阅规范。

BAR （http://blog.sina.com.cn/s/blog_6472c4cc0100qnht.html）

PCI bar(PCI base address register)。PCI bar就是该设备可用port i/o和mmio访问的寄存器的基地址。除了寄存器，还有一种称为扩展rom，也是通过mmio访问的。而ioremap的作用就是把pci bar（pci bar是物理地址）映射到虚拟地址空间中。所以它和pci_read_config_dword是下列关系：

pci_read_config_dword得到PCI bar ----> ioremap映射PCI bar到虚拟地址空间，返回一个虚拟地址，以后通过该地址读写设备的寄存器。

可以通过读取配置空间的bar寄存器{bar0: 0x10, bar1: 0x14, bar2: 0x18, bar3: 0x1C, bar4: 0x20, bar5: 0x24} 来获取基地址。如果读到的地址为是奇数，那么这个地址是个IO端口地址。如果读到的是偶数，那么这个地址是IO内存地址。

见这个帖子 http://bbs.chinaunix.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1061711&page=1

这个对于我们完成watchdog的驱动没有关系，可以略过。这个对于深入虚拟化需要了解。

在没有IOMMU的情况下，设备（指32bit或64bit设备，老的16bit的不提）的DMA操作可以访问整个物理地址空间，所以理论上设备可以向操作系统的代码段、数据段等内存区域做DMA，从而破坏整个系统。当然，通常来说不会有这样的设备。IOMMU的出现，可以实现地址空间上的隔离，使设备只能访问规定的内存区域。

简要说一下intel的IOMMU怎么做到这点的：
目前PC架构最多有256PCI总线，于是IOMMU用一个称为root entry的数据结构描述PCI总线，总共256个root
entry构成一张表。每条PCI总线最多允许256个设备，IOMMU用context
entry描述一个PCI设备（或者是PCI桥），256个context entry构成一张表。所以就有了如图的关系。我们知道，PCI设备用
{BUS:DEV:FUNC}
（当然，还有个segment，不过似乎PC架构都只有一个segment，这个暂时忽略）描述一个设备。所以对于一个特定设备，用bus号做索引
root entry表，用dev号索引context entry表可以找到描述该设备的的context entry。context
entry中有一个指针指向一章I/O页表，当设备发起DMA操作时，IOMMU会根据该页表把设备的DMA地址转换成该设备可以访问内存区域的地址。
所以只要为设备建一张I/O页表，就可以使设备只能访问规定的内存区域了。当然，也可以把该页表当成跳板，让只能寻址32bit地址空间的设备访问到64bit地址空间中去。

IOMMU是对于设备发起DMA操作来说的，你可以理解成设备用于做DMA的地址是一个虚拟地址（这个虚拟地址和我们平时说的那个不一样，是指设备DMA 用的地址不是真实的物理地址，没有IOMMU的情况下用的是物理地址）。也有称这个虚拟地址为总线地址的，但我认为不恰当，容易让人误解。

对于eeprom的访问，它又和mmio还有iommu都没有关系。eeprom是个串行设备，它不是被ioremap到虚拟地址空间访问，而是通过
PCI bar报告一个eeprom寄存器给操作系统，这个寄存器有一个bit的di(data in)、一个bit的do(data
out)、一个bit的clk（时钟）。时钟在下降沿生效，写的时候通过di一个bit一个bit的写，读的时候通过do一个bit一个bit的读。

REF:

1. Linux核心第六章 PCI

2. Linux 设备驱动 Edition 3 第 12 章 PCI 驱动