理解 PCIe 的枚举机制

声明：本文中的图片来自MindShare, Inc 经典书籍《PCI Express Technology》。

计算机系统复位或者上电之后，软件首先要对 PCIe 总线进行扫描来枚举该总线下连接的所有设备。在扫描之前，软件唯一能感知到的设备就是 Host/PCI 桥，同时还知道 Host/PCI 桥下面的总线号是 0，如下图所示：

对于桥设备（bridge），它们的上游端口（upstream side）连接的总线称为 primary bus，下游端口（downstream side）连接的总线称为 secondary bus。 扫描并发现 PCIe 总线上所有设备的过程称为 PCIe 枚举过程。

众所周知，每个 PCIe Function 的配置空间寄存器中都有一个叫做 Vendor ID 的只读寄存器。Vendor ID 是由 PCI-SIG 为每个厂商分配的 16 位的特定值。 枚举过程中，系统软件会遍历所有可能的 Bus & Device & Function 的组合，尝试去读取每个 Bus & Device & Function 位置的 Vendor ID 寄存器。根据读取到的结果，就能判断某个 Bus & Device & Function 所定位的 Function 是否真实存在。 这种枚举过程的逻辑十分简单，只要处理两种异常情况即可：

对于PCI 总线，如果一个设备不存在，那么当系统软件尝试去读这个设备的配置空间寄存器时，会出现读请求超时并产生 Master Abort 错误。与此同时，由于没有连接设备，对应的总线信号（包括数据信号）处于上拉（pulled up）状态。因此，在设备不存在的情况下，读 Vendor ID 寄存器的操作会得到特定值：0xFFFF。当系统软件读到某个设备的 Vendor ID 是 0xFFFF 时，就会知道该设备不存在。 对于 PCIe 总线，当尝试读取一个不存在的设备的配置空间寄存器时，会得到一个不带数据的 PCIe 完成消息（Completion without data）。比较特殊的是，这个完成消息会携带一个 UR (Unsupported Request) 状态标识。为了与 PCI 总线兼容，PCIe Root Complex 在枚举阶段收到这种特殊的完成消息时，会向处理器返回特定值：0xFFFF。 综上所述，从系统软件的角度来看，枚举过程就是尝试去读取所有可能存在的设备的 vendor ID，如果读到的值是 0xFFFF，那么就可以认为该设备不存在。

设备上电之后，需要一段时间的初始化之后才能响应外部的访问请求。针对这个需求，处理方法是：

在 PCI 2.3 协议中规定，初始化时间（Initialization Time）是从 RST# 信号无效（deasserted）开始，持续 2 个 PCI 时钟，大约 1 秒钟时间。在这 1 秒钟时间内，PCIe Function 进行必要的初始化，以准备接受来自外部的访问请求。在 PCIe 协议里，这个时间为 1 秒（+50% / -0%）。举例来说，Function 可用这段初始化时间（Initialization Time）从外部的 EEPROM 读取一些配置参数，并根据这些参数配置 Function 初始化配置空间寄存器。在 PCI 总线中，如果 Function 在准备好之前就接收到了配置空间寄存器的访问请求，那么它有三种处理方式：（1）忽略请求；（2）重试请求；（3）接收请求并等待准备好之后再响应。在热插拔系统中，第三种处理方式会带来问题。由于 PCI 总线是共享总线，第三种处理方式会导致在请求被正确响应之前，PCI 总线没办法处理其他请求。 在 PCIe 系统中，处理的过程和 PCI 有些区别。在 PCIe 总线中，如果 Function 在准备好之前就收到了配置空间寄存器的访问请求，那么它必须返回一个特殊的完成消息（Completion）。这个完成消息的状态必须被设置为 Configuration Request Retry Status（CRS）。CRS 状态只有对配置空间寄存器访问请求（configuration request）是合法的。如果其他类型的请求的响应消息中 CRS 被置位，应该当做错误处理。同时，这种特殊的响应只有在复位之后的 1 秒之内可以被认为是合法的，如果没有在规定时间内响应，就可以认为设备不存在。 在复位后的 1 秒内，PCIe Root Complex 需要根据 Root Control 寄存器中 CRS Software Visibility 位的值对 CRS 状态位为 1 的完成消息（completion）进行处理：

注意：CRS Software Visibility 位只会对配置空间寄存器读请求产生影响，对于其他类型的配置空间访问请求，Root Complex 会立即重复发送请求，直到收到 CRS 状态位不是 1 的响应。

在 PCIe 设备配置空间寄存器中，有一个 Header Type 寄存器。Header Type 寄存器的低 7 位能够用来判定 Function 的类型：

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