006 PCI总线的桥与配置(一)

在PCI体系结构中，含有两类桥片，一个是HOST主桥，另一个是PCI桥。在每一个PCI设备中(包括PCI桥)都含有一个配置空间。这个配置空间由HOST主桥管理，而PCI桥可以转发来自HOST主桥的配置访问。在PCI总线中，PCI Agent设备使用的配置空间与PCI桥使用的配置空间有些差别，但这些配置空间都是由处理器通过HOST主桥管理。

一、存储器域与PCI总线域

HOST主桥的实现因处理器系统而异。PowerPC处理器和x86处理器的HOST主桥除了集成方式不同之外，其实现机制也有较大差异。但是这些HOST主桥所完成的最基本功能依然是分离存储器域与PCI总线域，完成PCI总线域到存储器域，存储器域到PCI总线域之间的数据传递，并管理PCI设备的配置空间。

上文曾经多次提到在一个处理器系统中，存在PCI总线域与存储器域，深入理解这两个域的区别是理解HOST主桥的关键所在。在一个处理器系统中，存储器域、PCI总线域与HOST主桥的关系如图2‑1所示。

上图所示的处理器系统由一个CPU，一个DRAM控制器和两个HOST主桥组成。在这个处理器系统中，包含CPU域、DRAM域、存储器域和PCI总线域地址空间。其中HOST主桥x和HOST主桥y分别管理PCI总线x域与PCI总线y域。PCI设备访问存储器域时，也需要通过HOST主桥，并由HOST主桥进行PCI总线域到存储器域的地址转换；CPU访问PCI设备时，同样需要通过HOST主桥进行存储器域到PCI总线域的地址转换。

如果HOST主桥支持Peer-to-Peer传送机制，PCI总线x域上的设备可以与PCI总线y域上的设备直接通信，如PCI设备x11可以直接与PCI设备y11通信。为简化模型，在本书中，PCI总线仅使用32位地址空间。

1、CPU域、DRAM域与存储器域

CPU域地址空间指CPU所能直接访问的地址空间集合。在本书中，CPU、处理器与处理器系统的概念不同。如MPC8548处理器的内核是E500 V2[1]，本书将这个处理器内核称为CPU；处理器由一个或者多个CPU、外部Cache、中断控制器和DRAM控制器组成；而处理器系统由一个或者多个处理器和外部设备组成。

在CPU域中有一个重要概念，即CPU域边界，所谓CPU域边界，即CPU所能控制的数据完整性边界。CPU域的边界由Memory Fence指令[2]的作用范围确定，CPU域边界的划分对数据完整性(Data Consistency)非常重要。与CPU域相关的数据完整性知识较为复杂，可以独立出书，因此本篇对数据完整性不做进一步介绍。笔者有计划再更新完PCIe总线部分的资料后，书体系结构的两方面内容，一个是Cache层次结构，一个是以Weakly Ordered Memory Modle为基础书写数据完整性。

严格的讲CPU域仅在CPU内核中有效，CPU访问主存储器时，首先将读写命令放入读写指令缓冲中，然后将这个命令发送到DRAM控制器或者HOST主桥。DRAM控制器或者HOST主桥将CPU地址转换为DRAM或者PCI总线地址，分别进入DRAM域或者PCI总线域后，再访问相应的地址空间。

DRAM域地址空间指DRAM控制器所能访问的地址空间集合。目前处理器系统的DRAM一般由DDR-SDRAM组成，有的书籍也将这部分内存称为主存储器。在有些处理器系统中，DRAM控制器能够访问的地址空间，并不能被处理器访问，因此在这类处理器系统中，CPU域与DRAM域地址空间并不等同。

比如有些CPU可以支持36位的物理地址，而有些DRAM控制器仅支持32位的物理地址，此时CPU域包含的地址空间大于DRAM域地址空间。但是这并不意味着DRAM域一定包含在CPU域中，在某些处理器系统中，CPU并不能访问在DRAM域中的某些数据区域。而CPU域中除了包含DRAM域外，还包含外部设备空间。

在多数处理器系统中，DRAM域空间是CPU域空间的一部分，但是也有例外。比如显卡控制器可能会借用一部分主存储器空间，这些被借用的空间不能被CPU访问，而只能被DRAM控制器，更为准确地说是显卡通过DRAM控制器访问，因此这段空间不属于CPU域，严格地讲，这段空间属于外部设备域。

本书使用存储器域统称CPU域与DRAM域。存储器域包括CPU内部的通用寄存器，存储器映像寻址的寄存器，主存储器空间和外部设备空间。在Intel的x86处理器系统中，外部设备空间与PCI总线域地址空间等效，因为在x86处理器系统中，使用PCI总线统一管理全部外部设备。为简化起见，本书使用PCI总线域替代外部设备域。

值得注意的是，存储器域的外部设备空间，在PCI总线域中还有一个地址映射。当处理器访问PCI设备时，首先访问的是这个设备在存储器域上的PCI设备空间，之后HOST主桥将这个存储器域的PCI总线地址转换为PCI总线域的物理地址[3]，然后再通过PCI总线事务访问PCI总线域的地址空间。

2、PCI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。

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。

二、HOST主桥

MPC8548处理器是Freescale基于E500 V2内核的一个PowerPC处理器，该处理器中集成了DDR控制器、多个eTSEC(Enhanced Three-Speed Ethernet Controller)、PCI/PCI-X和PCIe总线控制器等一系列接口。MPC8548处理器的拓扑结构如图2‑2所示。本节以MPC8548处理器为例说明HOST主桥在PowerPC处理器中的实现机制，并简要介绍x86处理器系统使用的HOST主桥。

如上图所示，MPC8548处理器的L1 Cache在E500 V2内核中，而L2 Cache与FSB[1]直接相连，不属于E500内核。值得注意的是有些高端PowerPC处理器的L2 Cache也在CPU中，而L3 Cache与CCB总线直接相连。

在MPC8548处理器中，所有外部设备，如以太网控制器、DDR控制器和OCeaN连接的总线控制器都与SoC平台总线[2]直接连接。而SoC平台总线通过Cache共享一致性模块与FSB连接。

在MPC8548处理器中，具有一个32位的PCI总线控制器、一个64位的PCI/PCI-X总线控制器，还有多个PCIe总线控制器。MPC8548处理器使用OCeaN连接这些PCI、PCI-X和PCIe总线控制器。在MPC8548处理器系统中，PCI设备进行DMA操作时，首先通过OCeaN，之后经过SoC平台总线到达DDR控制器。

OCeaN是MPC8548处理器中连接快速外设使用的交叉互连总线，OCeaN不仅可以连接PCI、PCI-X和PCIe总线控制器，而且可以连接RapidIO[3]总线控制器。使用OCeaN进行互连的总线控制器可以直接通信，而不需要通过SoC平台总线。

如来自HOST主桥1的数据报文可以通过OCeaN直接发向HOST主桥2，而不需要将数据通过SoC平台总线，再进行转发，从而减轻了SoC平台总线的负担。OCeaN部件的拓扑结构如图2‑3所示。

在MPC8548处理器中，有两个HOST主桥，分别是HOST主桥1和HOST主桥2，其中HOST主桥1可以支持PCI-X总线，而HOST主桥2只能支持PCI总线。此外该处理器还含有多个PCIe总线控制器。

本节仅介绍HOST主桥，即MPC8548处理器中的PCI总线控制器，而不介绍该处理器的PCIe总线控制器。因为从软件层面上看，MPC8548处理器的PCIe总线控制器与PCI/PCI-X总线控制器功能类似。

MPC8548处理器即可以作为PCI总线的HOST处理器，也可以作为PCI总线的从设备，本节仅讲述MPC8548处理器如何作为PCI总线的HOST处理器管理PCI总线树，而并不关心MPC8548处理器作为从设备的情况。

在MPC8548处理器的HOST主桥中，定义了一系列与系统软件相关的寄存器。本节将通过介绍这些寄存器，说明这个HOST主桥的功能。为节约篇幅，本节仅介绍与HOST主桥1相关的寄存器，HOST主桥2使用的寄存器与HOST主桥1使用的寄存器类似。

1、 PCI设备配置空间的访问机制

PCI总线规定访问配置空间的总线事务，即配置读写总线事务，使用ID号进行寻址。PCI设备的ID号由总线号(Bus Number)、设备号(Device Number)和功能号(Function Number)组成。

其中总线号在HOST主桥遍历PCI总线树时确定。PCI总线可以使用PCI桥扩展PCI总线，并形成一颗PCI总线树。在一颗PCI总线树上，有几个PCI桥(包括HOST主桥)，就有几条PCI总线。在一颗PCI总线树中，总线号由系统软件决定，通常与HOST主桥直接相连的PCI总线编号为0，系统软件使用DFS(Depth-First Search)算法扫描PCI总线树上的所有PCI总线，并依次进行编号。

一条PCI总线的设备号由PCI设备的IDSEL信号与PCI总线地址线的连接关系确定，而功能号与PCI设备的具体设计相关。在一个PCI设备中最多有8个功能设备，而且每一个功能设备都有各自的PCI配置空间，而在绝大多数PCI设备中只有一个功能设备。HOST主桥使用寄存器号，访问PCI设备配置空间的某个寄存器。

在MPC8548处理器的HOST主桥中，与PCI设备配置空间相关的寄存器由CFG_ADDR、CFG_DATA和INT_ACK寄存器组成。系统软件使用CFG_ADDR和CFG_DATA寄存器访问PCI设备的配置空间，而使用INT_ACK寄存器访问挂接在PCI总线上的中断控制器的中断向量，这3个寄存器的地址偏移和属性如表2‑1所示。

表2‑1 PCI总线配置寄存器

Offset	寄存器	属性	复位值
0x0_8000	CFG_ADDR	可读写	0x0000-0000
0x0_8004	CFG_DATA	可读写	0x0000-0000
0x0_8008	INT_ACK	只读	0x0000-0000

在MPC8548处理器中，所有内部寄存器都使用存储器映射方式进行寻址，并存放在以BASE_ADDR[4]变量为起始地址的“1MB连续的物理地址空间”中。PowerPC处理器可以通过BASE_ADDR+Offset的方式访问表2‑1中的寄存器。

MPC8548处理器使用CFG_ADDR寄存器和CFG_DATA寄存器访问PCI设备的配置空间，其中用CFG_ADDR寄存器保存PCI设备的ID号和寄存器号，该寄存器的各个字段的详细说明如下所示。

Enable位。当该位为1时，HOST主桥使能对PCI设备配置空间的访问，当HOST处理器对CFG_DATA寄存器进行访问时，HOST主桥将对这个寄存器的访问转换为PCI配置读写总线事务并发送到PCI总线上。Bus Number字段记录PCI设备所在的总线号。Device Number字段记录PCI设备的设备号。Function Number字段记录PCI设备的功能号。Register Number字段记录PCI设备的配置寄存器号。

MPC8548处理器访问PCI设备的配置空间时，首先需要在CFG_ADDR寄存器中设置这个PCI设备对应的总线号、设备号、功能号和寄存器号，然后使能Enable位。之后当MPC8548处理器对CFG_DATA寄存器进行读写访问时， HOST主桥将这个存储器读写访问转换为PCI配置读写请求，并发送到PCI总线上。如果Enable位没有使能，处理器对CFG_DATA的访问不过是一个普通的I/O访问，HOST主桥并不能将其转换为PCI配置读写请求。

HOST主桥根据CFG_ADDR寄存器中的ID号，生成PCI配置读写总线事务，并将这个读写总线事务，通过ID译码方式发送到指定的PCI设备。PCI设备将接收来自配置写总线事务的数据，或者为配置读总线事务提供数据。

值得注意的是，在PowerPC处理器中，在CFG_DATA寄存器中保存的数据采用大端方式进行编址，而PCI设备的配置寄存器采用小端编址，因此HOST主桥需要进行端模式转换。我们以源代码2‑1为例说明PowerPC处理器如何访问PCI配置空间。

源代码2‑1 PowerPC处理器访问PCI配置空间

stw r0, 0(r1)

ld r3, 0(r2)

这段源代码的执行步骤如下。我们首先假设寄存器r1的初始值为BASE_ADDR+0x0_8000(即CFG_ADDR寄存器的地址) ，寄存器r0的初始值为0x8000-0008，寄存器r2的初始值为BASE_ADDR+0x0_8004 (即CFG_DATA寄存器的地址)，而指定PCI设备(总线号、设备号、功能号都为0)的配置寄存器的0x0B~0x08中的值为0x9988-7766。

(1) 将r0寄存器赋值到r1寄存器所指向的地址空间中，即初始化CFG_ADDR寄存器为0x8000-0008。

(2) 从r2寄存器所指向的地址空间中读取数据到r3寄存器中，即从CFG_DATA寄存器中读取数据到r3寄存器。

在MPC8548处理器中，源代码2‑1执行完毕后，寄存器r3保存的值为0x6677-8899，而不是0x9988-6677。系统程序员在使用这个返回值时，一定要注意大小端模式的转换。值得注意的是，源代码2‑1可以使用lwbrx指令进行优化，该指令可以在读取数据的同时，进行大小端模式的转换。

处理器读取INT_ACK寄存器时，HOST主桥将这个读操作转换为PCI总线中断响应事务。PCI总线中断响应事务的作用是通过PCI总线读取中断控制器的中断向量号，这样做的前提是中断控制器需要连接在PCI总线上。

PowerPC处理器使用的MPIC中断控制器不是挂接在PCI总线上，而是挂接在SoC平台总线上的，因此PCI总线提供的中断应答事务在这个处理器系统中并没有太大用途。但是并不排除某些PowerPC处理器系统使用了挂接在PCI总线上的中断控制器，比如PCI南桥芯片，此时PowerPC处理器系统需要使用中断应答事务读取PCI南桥中的中断控制器，以获取中断向量号。

2、 存储器域地址空间到PCI总线域地址空间的转换

MPC8548处理器使用ATMU (Address Translation and Mapping Unit)寄存器组进行存储器域到PCI总线域，以及PCI总线域到存储器域的地址映射。ATMU寄存器组由两大组寄存器组成，分别为Outbound和Inbound寄存器组。其中Outbound寄存器组将存储器域的地址转换为PCI总线域的地址，而Inbound寄存器组将PCI总线域的地址转换为存储器域的地址。

在MPC8548处理器中，只有当CPU读写访问的地址范围在Outbound寄存器组管理的地址空间之内时，HOST主桥才能接收CPU的读写访问，并将CPU在存储器域上的读写访问转换为PCI总线域上的读写访问，然后才能对PCI设备进行读写操作。

如图2‑2所示，CPU对存储器域的地址访问，首先使用CCB总线事务，如果所访问的地址在Cache中命中时，则从Cache中直接获得数据，否则将从存储器域中获取数据。而在绝大多数情况下，外部设备使用的地址空间是不可Cache[5]的，所以在绝大多数情况之下，发向PCI设备的CCB总线事务并不会与Cache进行数据交换。

如果CCB总线事务使用的地址在HOST主桥的Outbound寄存器窗口中命中时，HOST主桥将接收这个CCB总线事务，并将其转换为PCI总线事务之后，再发送到PCI总线上。MPC8548处理器的每一个HOST主桥都提供了5个Outbound寄存器窗口来实现存储器域地址到PCI总线域地址的映射，其映射过程如图2‑4所示。

在介绍MPC8548处理器如何使用Outbound寄存器组进行存储器域地址空间到PCI总线域地址空间的转换之前，本节将首先介绍Outbound寄存器组中的相应寄存器。Outbound寄存器组的地址偏移、属性和复位值如表2‑2所示。

表2‑2 PCI/X ATMU Outbound寄存器组

地址偏移	寄存器名	属性	复位值
0x0_8C00/20/40/60/80	POTARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8C04/24/44/64/84	POTEARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8C28/48/68/88	POWBARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8C30/50/70/90	POWARn	可读写	0x0000-0000

2.1、POTARn和POTEARn寄存器

在POTARn和POTEARn寄存器中保存当前Outbound窗口在PCI总线域中的64位地址空间的基地址。这两个寄存器的主要字段如下。

POTARn寄存器的TEA字段，第0~11位，保存PCI总线地址空间的43~32位。

POTARn寄存器的TA字段，第12~31位，保存PCI总线地址空间的31~12位[6] 。

POTEARn寄存器的TEA字段，第12~31位，保存PCI总线地址空间的63~44位。

2.2、POWBARn寄存器和POWARn寄存器

而POWBARn寄存器保存当前Outbound窗口在存储器域中的36位地址空间的基地址[7] ，其主要字段如下。

WBEA字段保存存储器域地址的第0~3位。

WBA字段保存存储器域地址的第4~23 [8]位。

POWARn寄存器描述Outbound窗口的属性，其主要字段如下。

EN位，第0位。该位是Outbound窗口的使能位，为1表示当前Outbound寄存器组描述的存储器地址空间到PCI总线地址空间的映射关系有效；为0表示无效。

RTT字段，第12~15位，该字段描述当前窗口的读传送类型，为0b0100表示存储器读，为0b1000表示I/O读。

WTT字段，第16~19位，该字段描述当前窗口的写传送类型，为0b0100表示存储器写，为0b1000表示I/O写。在PCIe总线控制器中，RTT字段和WTT字段还可以支持对配置空间的读写操作。

OWS字段，第26~31位，该字段描述当前窗口的大小，Outbound窗口的大小在4KB~64GB之间，其值为2OWS+1。

2.3、使用Outbound寄存器访问PCI总线地址空间

MPC8548处理器使用Outbound寄存器组访问PCI总线地址空间的步骤如下。

(1) 首先MPC8548处理器需要将程序使用的32位有效地址EA (Effective Address)转换为41位的虚拟地址VA (Virtual Address)。E500 V2内核不能关闭MMU(Memory Management Unit)，因此不能直接访问物理地址。

(2) MPC8548处理器通过MMU将41位的虚拟地址转换为36位的物理地址。在E500 V2内核中，物理地址是36位(缺省是32位，需要使能)。

(3) 检查LAWBAR和LAWAR寄存器，判断当前36位的物理地址是否属于PCI总线空间。在MPC8548中定义了一组LAWBAR和LAWAR寄存器对，每一对寄存器描述当前物理空间是与PCI总线、PCIe总线、DDR还是RapidIO空间对应。该组寄存器的详细说明见MPC8548 PowerQUICC III Integrated Host Processor Family Reference Manual。如果CPU访问的空间为PCI总线空间，则执行第(4)步，否则处理器将不会访问PCI地址空间。

(4) 判断当前36位物理地址是否在POWBARn寄存器1~4描述的窗口中，如果在则将36位的处理器物理地址通过寄存器POTARn和POTEARn转换为64位的PCI总线地址，然后HOST主桥将来自处理器的读写请求发送到PCI总线上；如果不在POWBARn寄存器1~4描述的窗口中，POWBAR0寄存器作为缺省窗口，接管这个存储器访问，并使用寄存器POTAR0和POTEAR0，将处理器物理地址转换为PCI总线地址，当然在正常设计中很少出现这种情况。

许多系统软件，将Outbound窗口两边的寄存器使用“直接相等”的方法进行映射，将存储器域的地址与PCI总线地址设为相同的值。但是系统软件程序员务必注意这个存储器地址与PCI总线地址是分属于存储器域与PCI总线域的，这两个值虽然相等，但是所代表的地址并不相同，一个属于存储器域，而另一个属于PCI总线域。

3、 PCI总线域地址空间到存储器域地址空间的转换

MPC8548处理器使用Inbound寄存器组将PCI总线域地址转换为存储器域的地址。PCI设备进行DMA读写时，只有访问的地址在Inbound窗口中时，HOST主桥才能接收这些读写请求，并将其转发到存储器控制器。MPC8548处理器提供了3组Inbound寄存器，即提供3个Inbound寄存器窗口，实现PCI总线地址到存储器地址的反向映射。

从PCI设备的角度上看，PCI设备访问存储器域的地址空间时，首先需要通过Inbound窗口将PCI总线地址转换为存储器域的地址；而从处理器的角度上看，处理器必须要将存储器地址通过Inbound寄存器组反向映射为PCI总线地址空间，才能被PCI设备访问。

PCI设备只能使用PCI总线地址访问PCI总线域的地址空间。HOST主桥将这段地址空间通过Inbound窗口转换为存储器域的地址之后，PCI设备才能访问存储器域地址空间。这个地址转换过程如图2‑5所示。

在介绍MPC8548处理器如何使用Inbound寄存器组进行PCI总线域地址空间到存储器域地址空间的转换之前，我们首先简要介绍Inbound寄存器组中的相应寄存器。该组寄存器的地址偏移、属性和复位值如表2‑3所示。

表2‑3 PCI/X ATMU Inbound寄存器组

Offset	寄存器名	属性	复位值
0x0_8DA0/C0/E0	PITARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8DA8/C8/E8	PIWBARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8DAC/CC	PIWBEARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8DB0/D0/F0	PIWARn	可读写	0x0000-0000

值得注意的是，Inbound寄存器组除了可以进行PCI总线地址空间到存储器域地址空间的转换之外，还可以转换分属不同PCI总线域的地址空间，以支持PCI总线的Peer-to-Peer数据传送方式。

3.1、PITARn寄存器

PITARn寄存器保存当前Inbound窗口在存储器域中的36位地址空间的基地址，其地址窗口的大小至少为4KB，因此在该寄存器中仅存放存储器域地址的第0~23位，该寄存器的其主要字段如下所示。

TEA字段存放存储器地址空间的第0~3位。TA字段存放存储器地址空间的第4~23位。

3.2、PIWBARn和PIWBEARn寄存器

PIWBARn和PIWBEARn寄存器保存当前Inbound窗口在PCI总线域中的64位地址空间的基地址的第63~12位，Inbound窗口使用的最小地址空间为4KB，因此在这两个寄存器中不含有PCI总线地址空间的第11~0位。这两个寄存器的主要字段如下所示。

PIWBARn寄存器的BEA字段存放PCI总线地址空间的第43~32位。PIWBARn寄存器的BA字段存放PCI总线地址空间的第31~12位。PIWBEARn寄存器的BEA字段存放PCI总线地址空间的第63~44位。

3.3、PIWARn寄存器

PIWARn寄存器描述当前Inbound窗口的属性，该寄存器由以下位和字段组成。

EN位，第0位。该位是Inbound窗口的使能位，为1表示当前Inbound寄存器组描述的存储器地址空间到PCI总线地址空间的映射关系有效；为0表示无效。

PF位，第2位。该位为1表示当前Inbound窗口描述的存储区域支持预读；为0表示不支持预读。

TGI字段，第8~11位。该字段为0b0010表示当前Inbound窗口描述的存储区域属于PCIe总线域地址空间；为0b1100表示当前Inbound窗口描述的存储区域属于RapidIO总线域地址空间。该字段对于OCeaN实现不同域间的报文转发非常重要，如果当前Inbound窗口的TGI字段为0b0010，此时PCI总线上的设备可以使用该Inbound窗口，通过OCeaN直接读取PCIe总线的地址空间，而不需要经过SoC平台总线。如果TGI字段为0b1111表示Inbound窗口描述的存储器区域属于主存储器地址空间，这也是最常用的方式。使用该字段可以实现HOST主桥的Peer-to-Peer数据传送方式。

RTT字段和WTT字段，分别为该寄存器的第12~15位和第16~19位。Inbound窗口的RTT/WTT字段的含义与Outbound窗口的RTT/WTT字段基本类似。只是在Inbound窗口中可以规定PCI设备访问主存储器时，是否需要进行Cache一致性操作(Cache Lock and Allocate)，在进行DMA写操作时，数据是否可以直接进入到Cache中。该字段是PowerPC处理器对PCI总线规范的有效补充，由于该字段的存在，PowerPC处理器的PCI设备可以将数据直接写入Cache，也可以视情况决定DMA操作是否需要进行Cache共享一致性操作。

IWS字段，第26~31位。该字段描述当前窗口的大小，Inbound窗口的大小在4KB~16GB之间，其值为2IWS+1。

3.4、使用Inbound寄存器组进行DMA操作

PCI设备使用DMA操作访问主存储器空间，或者访问其他PCI总线域地址空间时，需要通过Inbound窗口，其步骤如下。

(1) PCI设备在访问主存储器空间时，将首先检查当前PCI总线地址是否在PIWBARn和PIWBEARn寄存器描述的窗口中。如果在这个窗口中，则将这个PCI总线地址通过PITARn寄存器转换为存储器域的地址或者其他PCI总线域的地址；如果不在将禁止本次访问。

(2) 如果PCI设备访问的是存储器地址空间，HOST主桥将来自PCI总线的读写请求发送到存储器空间，进行存储器读写操作，并根据Inbound寄存器组的RTT/WTT位决定是否需要进行Cache一致性操作，或者将数据直接写入到Cache中。

结合Outbound寄存器组，可以发现PCI总线地址空间与存储器地址空间是有一定联系的。如果存储器域地址空间被Inbound寄存器组反向映射到PCI空间，这个存储器地址具有两个地址，一个是在存储器域的地址，一个是在PCI总线域的地址；同理PCI总线空间的地址如果使用Outbound寄存器映射到寄存器地址空间，这个PCI总线地址也具有两个地址，一个是在PCI总线域的地址，一个是在存储器域的地址。

能够被处理器和PCI总线同时访问的地址空间，一定在PCI总线域和存储器域中都存在地址映射。再次强调，绝大多数操作系统将同一个空间的PCI总线域地址和存储器地址设为相同的值，但是这两个相同的值所代表的含义不同。

由此可以看出，如果MPC8548处理器的某段存储器区域没有在Inbound窗口中定义时，PCI设备将不能使用DMA机制访问这段存储器空间；同理如果PCI设备的空间不在Outbound窗口，HOST处理器也不能访问这段PCI地址空间。

在绝大多数PowerPC处理器系统中，PCI设备地址空间都在HOST主桥的Outbound窗口中建立了映射；而MPC8548处理器可以选择将哪些主存储器空间共享给PCI设备，从而对主存储器空间进行保护。

4、 x86处理器的HOST主桥

x86处理器使用南北桥结构连接CPU和PCI设备。其中北桥(North Bridge)连接快速设备，如显卡、和内存条，并推出PCI总线，HOST主桥包含在北桥中。而南桥(South Bridge)连接慢速设备。x86处理器使用的南北桥结构如图2‑6所示。

Intel使用南北桥概念统一PC架构。但是从体系结构的角度上看，南北桥架构并不重要，北桥中存放的主要部件不过是存储器控制器、显卡控制器和HOST主桥而已，而南桥存放的是一些慢速设备，如ISA总线和中断控制器等。

不同的处理器系统集成这些组成部件的方式并不相同，如PowerPC、MIPS和ARM处理器系统通常将CPU和主要外部设备都集成到一颗芯片中，组成一颗基于SoC架构的处理器系统。这些集成方式并不重要，每一个处理器系统都有其针对的应用领域，不同应用领域的需求对处理器系统的集成方式有较大的影响。Intel采用的南北桥架构针对x86处理器的应用领域而设计，并不能说采用这种结构一定比MPC8548处理器中即含有HOST-to-PCI主桥也含有HOST-to-PCIe主桥更为合理。

在许多嵌入式处理器系统中，即含有PCI设备也含有PCIe设备，为此MPC8548处理器同时提供了PCI总线和PCIe总线接口，在这个处理器系统中，PCI设备可以与PCI总线直接相连，而PCIe设备可以与PCIe总线直接相连，因此并不需要使用PCIe桥扩展PCI总线，从而在一定程度上简化了嵌入式系统的设计。

嵌入式系统所面对的应用千姿百态，进行芯片设计时所要考虑的因素相对较多，因而在某种程度上为设计带来了一些难度。而x86处理器系统所面对的应用领域针对个人PC**务器，向前兼容和通用性显得更加重要。在多数情况下，一个通用处理器系统的设计难过专用处理器系统的设计，Intel为此付出了极大的代价。

在一些相对较老的北桥中，如Intel 440系列芯片组中包含了HOST主桥，从系统软件的角度上看HOST-to-PCI主桥实现的功能与HOST-to-PCIe主桥实现的功能相近。本节仅简单介绍Intel的HOST-to-PCI主桥如何产生PCI的配置周期，有关Intel HOST-to-PCIe主桥[9]的详细信息参见第5章。

x86处理器定义了两个I/O端口寄存器，分别为CONFIG_ADDRESS和CONFIG_DATA寄存器，其地址为0xCF8和0xCFC。x86处理器使用这两个I/O端口访问PCI设备的配置空间。PCI总线规范也以这个两个寄存器为例，说明处理器如何访问PCI设备的配置空间。其中CONFIG_ADDRESS寄存器存放PCI设备的ID号，而CONFIG_DATA寄存器存放进行配置读写的数据。

CONFIG_ADDRESS寄存器与PowerPC处理器中的CFG_ADDR寄存器的使用方法类似，而CONFIG_DATA寄存器与PowerPC处理器中的CFG_DATA寄存器的使用方法类似。CONFIG_ADDRESS寄存器的结构如图2‑7所示。

CONFIG_ADDRESS寄存器的各个字段和位的说明如下所示，

Enable位，第31位。该位为1时，对CONFIG_DATA寄存器进行读写时将引发PCI总线的配置周期。Bus Number字段，第23~16位，记录PCI设备的总线号。Device Number字段，第15~11位，记录PCI设备的设备号。Function Number字段，第10~8位，记录PCI设备的功能号。Register Number字段，第7~2位，记录PCI设备的寄存器号。

当x86处理器对CONFIG_DATA寄存器进行I/O读写访问，且CONFIG_ADDR寄存器的Enable位为1时，HOST主桥将这个I/O读写访问转换为PCI配置读写总线事务，然后发送到PCI总线上，PCI总线根据保存在CONFIG_ADDR寄存器中的ID号，将PCI配置读写请求发送到指定PCI设备的指定配置寄存器中。

x86处理器使用小端地址模式，因此从CONFIG_DATA寄存器中读出的数据不需要进行模式转换，这点和PowerPC处理器不同，此外x86处理器的HOST主桥也实现了存储器域到PCI总线域的地址转换，但是这个概念在x86处理器中并不明晰。

本书将在第5章以HOST-to-PCIe主桥为例，详细介绍Intel处理器的存储器地址与PCI总线地址的转换关系，而在本节不对x86处理器的HOST主桥做进一步说明。x86处理器系统的升级速度较快，目前在x86的处理器体系结构中，已很难发现HOST主桥的身影。

目前Intel对南北桥架构进行了升级，其中北桥被升级为MCH(Memory Controller Hub)，而南桥被升级为ICH(I/O Controller Hub)。x86处理器系统在MCH中集成了存储器控制器、显卡芯片和HOST-to-PCIe主桥，并通过Hub Link与ICH相连；而在ICH中集成了一些相对低速总线接口，如AC’97、LPC(Low Pin Count)、IDE和USB总线，当然也包括一些低带宽的PCIe总线接口。

在Intel最新的Nehelem[10]处理器系统中，MCH被一份为二，存储器控制器和图形控制器已经与CPU内核集成在一个Die中，而MCH剩余的部分与ICH合并成为PCH(Peripheral Controller Hub)。但是从体系结构的角度上看，这些升级与整合并不重要。

目前Intel在Menlow平台基础上，计划推出基于SoC架构的x86处理器，以进军手持设备市场。在基于SoC构架的x86处理器中将逐渐淡化Chipset的概念，其拓扑结构与典型的SoC处理器，如ARM和PowerPC处理器，较为类似。