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[導讀]硬盤是大家都很熟悉的設(shè)備,一路走來,從HDD到SSD,從SATA到NVMe,作為NVMe SSD的前端接口,PCIe再次進入我們的視野。作為x86體系關(guān)鍵的一環(huán),PCIe標準歷經(jīng)PCI,PCI-X和PCIe,走過近30年時光。其中Host發(fā)現(xiàn)與查找設(shè)備的方式卻一脈沿襲,今天我們先來聊一聊PCIe設(shè)備在一個系統(tǒng)中是如何發(fā)現(xiàn)與訪問的。


硬盤是大家都很熟悉的設(shè)備,一路走來,從HDD到SSD,從SATA到NVMe,作為NVMe SSD的前端接口,PCIe再次進入我們的視野。作為x86體系關(guān)鍵的一環(huán),PCIe標準歷經(jīng)PCI,PCI-X和PCIe,走過近30年時光。其中Host發(fā)現(xiàn)與查找設(shè)備的方式卻一脈沿襲,今天我們先來聊一聊PCIe設(shè)備在一個系統(tǒng)中是如何發(fā)現(xiàn)與訪問的。


首先我們來看一下在x86系統(tǒng)中,PCIe是什么樣的一個體系架構(gòu)。下圖是一個PCIe的拓撲結(jié)構(gòu)示例,PCIe協(xié)議支持256個Bus, 每條Bus最多支持32個Device,每個Device最多支持8個Function,所以由BDF(Bus,device,function)構(gòu)成了每個PCIe設(shè)備節(jié)點的身份證號。

PCIe體系架構(gòu)一般由root complex,switch,endpoint等類型的PCIe設(shè)備組成,在root complex和switch中通常會有一些embeded endpoint(這種設(shè)備對外不出PCIe接口)。這么多的設(shè)備,CPU啟動后要怎么去找到并認出它們呢? Host對PCIe設(shè)備掃描是采用了深度優(yōu)先算法,其過程簡要來說是對每一個可能的分支路徑深入到不能再深入為止,而且每個節(jié)點只能訪問一次。我們一般稱這個過程為PCIe設(shè)備枚舉。枚舉過程中host通過配置讀事物包來獲取下游設(shè)備的信息,通過配置寫事物包對下游設(shè)備進行設(shè)置。

第一步,PCI Host主橋掃描Bus 0上的設(shè)備(在一個處理器系統(tǒng)中,一般將Root complex中與Host Bridge相連接的PCI總線命名為PCI Bus 0),系統(tǒng)首先會忽略Bus 0上的embedded EP等不會掛接PCI橋的設(shè)備,主橋發(fā)現(xiàn)Bridge 1后,將Bridge1 下面的PCI Bus定為 Bus 1,系統(tǒng)將初始化Bridge 1的配置空間,并將該橋的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分別設(shè)置成0和1,以表明Bridge1 的上游總線是0,下游總線是1,由于還無法確定Bridge1下掛載設(shè)備的具體情況,系統(tǒng)先暫時將Subordinate Bus Number設(shè)為0xFF。
第二步,系統(tǒng)開始掃描Bus 1,將會發(fā)現(xiàn)Bridge 3,并發(fā)現(xiàn)這是一個switch設(shè)備。系統(tǒng)將Bridge 3下面的PCI Bus定為Bus 2,并將該橋的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分別設(shè)置成1和2,和上一步一樣暫時把Bridge 3 的Subordinate Bus Number設(shè)為0xFF。
第三步,系統(tǒng)繼續(xù)掃描Bus 2,將會發(fā)現(xiàn)Bridge 4。繼續(xù)掃描,系統(tǒng)會發(fā)現(xiàn)Bridge下面掛載的NVMe SSD設(shè)備,系統(tǒng)將Bridge 4下面的PCI Bus定為Bus 3,并將該橋的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分別設(shè)置成2和3,因為Bus3下面掛的是端點設(shè)備(葉子節(jié)點),下面不會再有下游總線了,因此Bridge 4的Subordinate Bus Number的值可以確定為3。
第四步,完成Bus 3的掃描后,系統(tǒng)返回到Bus 2繼續(xù)掃描,會發(fā)現(xiàn)Bridge 5。繼續(xù)掃描,系統(tǒng)會發(fā)現(xiàn)下面掛載的NIC設(shè)備,系統(tǒng)將Bridge 5下面的PCI Bus設(shè)置為Bus 4,并將該橋的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分別設(shè)置成2和4,因為NIC同樣是端點設(shè)備,Bridge 5的Subordinate Bus Number的值可以確定為4。

第五步,除了Bridge 4和Bridge 5以外,Bus2下面沒有其他設(shè)備了,因此返回到Bridge 3,Bus 4是找到的掛載在這個Bridge下的最后一個bus號,因此將Bridge 3的Subordinate Bus Number設(shè)置為4。Bridge 3的下游設(shè)備都已經(jīng)掃描完畢,繼續(xù)向上返回到Bridge 1,同樣將Bridge 1的Subordinate Bus Number設(shè)置為4。


第六步,系統(tǒng)返回到Bus0繼續(xù)掃描,會發(fā)現(xiàn)Bridge 2,系統(tǒng)將Bridge 2下面的PCI Bus定為Bus 5。并將Bridge 2的Primary Bus Number 和 Secondary Bus Number寄存器分別設(shè)置成0和5, Graphics card也是端點設(shè)備,因此Bridge 2 的Subordinate Bus Number的值可以確定為5。

至此,掛在PCIe總線上的所有設(shè)備都被掃描到,枚舉過程結(jié)束,Host通過這一過程獲得了一個完整的PCIe設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)上電以后,host會自動完成上述的設(shè)備枚舉過程。除一些專有系統(tǒng)外,普通系統(tǒng)只會在開機階段進行進行設(shè)備的掃描,啟動成功后(枚舉過程結(jié)束),即使插入一個PCIe設(shè)備,系統(tǒng)也不會再去識別它。

在linux操作系統(tǒng)中,我們可以通過lspci –v -t命令來查詢系統(tǒng)上電階段掃描到的PCIe設(shè)備,執(zhí)行結(jié)果會以一個樹的形式列出系統(tǒng)中所有的pcie設(shè)備。如下圖所示,其中黃色方框中的PCIe設(shè)備是北京憶芯科技公司(Bejing Starblaze Technology Co., LTD.)推出的STAR1000系列NVMe SSD主控芯片,圖中顯示的9d32是Starblaze在PCI-SIG組織的注冊碼,1000是設(shè)備系列號。

STAR1000設(shè)備的BDF也可以從上圖中找出,其中bus是0x3C,device是0x00,function是0x0,BDF表示為3C:00.0,與之對應的上游端口是00:1d.0。

我們可以通過“l(fā)spci –xxx –s 3C:00.0”命令來列出該設(shè)備的PCIe詳細信息(技術(shù)發(fā)燒友或數(shù)字控請關(guān)注該部分)。這些內(nèi)容存儲在PCIe配置空間,它們描述的是PCIe本身的特性。如下圖所示(低位地址0x00在最左邊),可以看到這是一個非易失性存儲控制器,0x00起始地址是PCIe的Vendor ID和Device ID。Class code 0x010802表示這是一個NVMe存儲設(shè)備。0x40是第一組capability的指針,如果你需要查看PCIe的特性,就需要從這個位置開始去查詢,在每組特征的頭字段都會給出下一組特性的起始地址。從0x40地址開始依次是power management,MSI中斷,鏈路控制與狀態(tài),MSI-X中斷等特性組。這兒特別列出了鏈路特征中的一個0x43字段,表示STAR1000設(shè)備是一個x4lane的鏈接,支持PCIe Gen3速率(8Gbps)。


當然也可以使用lspci –vvv –s 3C:00.0命令來查看設(shè)備特性,初學者看到下面的列表也就一目了然了。


Host在枚舉設(shè)備的同時也會對設(shè)備進行配置,每個PCIe設(shè)備都會指定一段CPU memory訪問空間,從上面的圖中我們可以看到這個設(shè)備支持兩段訪問空間,一段的大小是1M byte,另一段的大小是256K byte,系統(tǒng)會分別指定它們的基地址?;刂放渲猛瓿梢院?,Host就可以通過地址來對PCIe memory空間進行訪問了。

PCIe memory空間關(guān)聯(lián)的是PCIe設(shè)備物理功能,對于STAR1000系列芯片而言,物理功能是NVMe,memory中存放的是NMVe的控制與狀態(tài)信息,對于NMVe的控制以及工作狀態(tài)的獲取,都需要通過memory訪問來實現(xiàn)。

下面以NVMe命令下發(fā)為例簡單描述PCIe設(shè)備的memory訪問。NVMe命令下發(fā)的基本操作是1)Host寫doorbell寄存器,此時使用PCIe memory寫請求。如下圖所示,host發(fā)出一個memory write(MWr)請求,該請求經(jīng)過switch到達要訪問的NVMe SSD設(shè)備。


這個請求會被端點設(shè)備接收并執(zhí)行2)NVMe讀取命令操作。如下圖所示,此時NVMe SSD作為請求者,發(fā)出一個memory read(MRd)請求,該請求經(jīng)過Switch到達Host,Host作為完成者會返回一個完成事物包(CplD),將訪問結(jié)果返回給NVMe SSD。


這樣,一個NVMe的命令下發(fā)過程就完成了。同樣,NVMe的其他操作比如各種隊列操作,命令與完成,數(shù)據(jù)傳輸都是通過PCIe memory訪問的方式進行的,此處不再詳述。

通過上面的描述,相信能夠幫助大家了解PCIe的設(shè)備枚舉和memory空間訪問。以后會繼續(xù)與大家探討PCIe的其他內(nèi)容,比如PCIe的協(xié)議分層,鏈路建立,功耗管理等等。目前PCIe協(xié)議還正在不斷的快速演進中,2017年發(fā)布的PCIe Gen4標準,每條Serdes支持的速率已經(jīng)達到16Gbps,Gen5也在加速制定中,其速率會再翻一倍達到32Gbps。Starblaze會緊跟技術(shù)的發(fā)展趨勢,提供速率更高,性能更好更穩(wěn)定的NVMe SSD系列產(chǎn)品。


END

來源:人人都是極客

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