Шины PCI, USB и FireWire

Гук Михаил Юрьевич

ГЛАВА 5
Конфигурирование и BIOS устройств PCI и PCI–X

В шину PCI изначально заложены возможности автоматического конфигурирования системных ресурсов (пространств памяти и ввода-вывода и линий запроса прерываний). Автоматическое конфигурирование устройств (выбор адресов и прерываний) поддерживается средствами BIOS и ОС; оно ориентировано на технологию PnP. Стандарт PCI определяет для каждой функции конфигурационное пространство размером до 256 регистров (8-битных), не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным командам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым с помощью одного из аппаратно-программных механизмов, описанных далее. В этом пространстве есть области, обязательные для всех

устройств, и специфические. Конкретное устройство может иметь регистры не во всех адресах, но должно поддерживать нормальное завершение для адресуемых к ним операций. При этом чтение несуществующих регистров должно возвращать нули, а запись выполняться как холостая операция.

Конфигурационное пространство функции начинается со стандартного заголовка, в котором содержатся идентификаторы производителя, устройства и его класса, а также описание требуемых и занимаемых системных ресурсов. Структура заголовка стандартизована для обычных устройств (тип 0), мостов PCI-PCI (тип 1), мостов PCI–CardBus (тип 2). Тип заголовка определяет расположение общеизвестных регистров и назначение их бит. После заголовка могут располагаться регистры, специфичные для устройства. Для стандартизованных свойств (capability) устройств (например, управления энергопотреблением) в конфигурационном пространстве имеются блоки регистров известного назначения. Эти блоки организуются в цепочки, на первый такой блок есть ссылка в стандартном заголовке (CAPPTR); в первом же регистре блока есть ссылка на следующий блок (или 0, если данный блок – последний). Таким образом, просмотрев цепочку, конфигурационное ПО получает список всех доступных свойств устройства и их позиций в конфигурационном пространстве функции. В PCI 2.3 определены следующие идентификаторы CAPID, часть из которых рассматривается в данной книге:

 

• 01 – управление энергопотреблением;

• 02 – порт AGP;

• 03 – VPD (Vital Product Data), данные, дающие исчерпывающее описание аппаратных (возможно, и программных) свойств устройств;

• 04 – нумерация слотов и шасси;

• 05 – прерывания MSI;

• 06 – Hot Swap, горячее подключение для Compact PCI;

• 07 – протокольные расширения PCI$X;

• 08 – зарезервировано для AMD;

• 09 – на усмотрение производителя (Vendor Specific);

• 0Ah – отладочный порт (Debug Port);

• 0Bh – PCI Hot Plug, стандартное обеспечение «горячего подключения».

В PCI$X для устройств Mode 2 конфигурационное пространство расширено до 4096 байт; в расширенном пространстве могут присутствовать расширенные описания свойств (см. ниже).

После аппаратного сброса (или при включении питания) устройства PCI не отвечают на обращения к пространству памяти и ввода-вывода, они доступны только для операций конфигурационного считывания и записи. В этих операциях устройства выбираются по индивидуальным сигналам IDSEL, чтением регистров конфигурационное ПО узнает о потребностях в ресурсах и возможных вариантах конфигурирования устройств. После распределения ресурсов, выполняемого программой конфигурирования (во время теста POST или при загрузке ОС), в конфигурационные регистры устройства записываются параметры конфигурирования (базовые адреса). Только после этого устройствам (точнее, функциям) устанавливаются биты, разрешающие им отвечать на команды обращения к памяти и портам ввода-вывода, а также самим управлять шиной. Для того чтобы всегда можно было найти работоспособную конфигурацию, все ресурсы, занимаемые картами, должны быть перемещаемыми в своих пространствах. Для многофункциональных устройств каждая функция должна иметь собственное конфигурационное пространство. Устройство может одни и те же регистры отображать и на память, и на пространство ввода$вывода. При этом в их конфигурационных регистрах должны присутствовать оба описателя, но драйвер должен использовать только один способ обращения (предпочтительно через память).

В заголовке конфигурационного пространства описываются потребности в адресах трех типов:

• регистры в пространстве ввода_вывода (I/O Space));

• регистры ввода_вывода, отображенные на память (Memory Mapped I/O). Это область памяти, обращения к которой

должны производиться в строгом соответствии с тем, что запрашивает инициатор обмена. Обращение к этим регистрам может изменять внутреннее состояние периферийных устройств;

• память, допускающая предвыборку (Prefetchable Memory). Это область памяти, «лишнее» чтение которой (с неиспользуемыми результатами) не приводит к побочным эффектам, все байты считываются независимо от сигналов BE[3:0]#, и записи отдельных байтов мостом могут быть объединены (то есть это память в чистом виде).

Потребности в адресах указываются в регистрах базовых адресов – BAR (Base Address Register). Конфигурирующая программа может определить и размеры требуемых областей. Для этого после аппаратного сброса она должна считать и сохранить значения базовых адресов (это будут адреса по умолчанию), записать в каждый регистр FFFFFFFFh и снова считать их значение. В полученных словах нужно обнулить биты декодирования типа (биты [3:0] для памяти и биты [1:0] для ввода-вывода), инвертировать и инкрементировать полученное 32-битное слово – результатом будет длина области (для портов биты [31:16] игнорировать). Метод подразумевает, что длина области выражается числом 2n и область выровнена естественным образом. Стандартный заголовок вмещает до 6 регистров базового адреса, но при использовании 64-битной адресации число описываемых блоков сокращается. Неиспользуемые регистры BAR при чтении всегда должны возвращать нули.

В PCI имеется поддержка старых (legacy) устройств (VGA, IDE), которые сами себя таковыми объявляют по коду класса в заголовке. Их традиционные (фиксированные) адреса портов не заявляются в конфигурационном пространстве, но как только устанавливается бит разрешения обращения к портам, устройствам разрешается ответ и по этим адресам.

Конфигурационное пространство обычных устройств (тип 0)

Формат заголовка конфигурационного пространства приведен на рис. 5.1, серым цветом здесь выделены поля, обязательные для всех устройств; регистры, специфичные для устройства, могут занимать адреса конфигурационного пространства в пределах 40-FFh.

Перечисленные ниже поля идентификации допускают только чтение:

• Device ID – идентификатор устройства, назначаемый производителем;

• Vendor ID – идентификатор производителя микросхемы PCI, назначенный PCI SIG. Идентификатор FFFFh является недопустимым; это значение должно возвращаться при чтении конфигурационного пространства несуществующего устройства;

• Revision ID – версия продукта, назначенная производителем. Используется как расширение поля Device ID;

• Header Type – тип заголовка (биты [6:0]), определяющий формат ячеек в диапазоне 10-3Fh и несущий признак многофункционального устройства (если бит 7 установлен). На рисунке приведен формат заголовка типа 0, относящийся

• именно к устройствам PCI. Тип 01 относится к мостам PCI-PCI; тип 02 относится к мостам для CardBus;

• Class Code – код класса, определяющий основную функцию устройства, а иногда и его программный интерфейс (см. далее). Старший байт (адрес 0Bh) определяет базовый класс, средний – подкласс, младший – программный интерфейс (если он стандартизован).

Остальные поля заголовка являются регистрами устройств, допускающими как запись, так и чтение.

Регистр команд Command (RW) служит для управления поведением устройства на шине PCI. Регистр допускает как запись, так и чтение. После аппаратного сброса все биты регистра (кроме специально оговоренных исключений) обнулены. Назначение бит регистра команд: бит 0 – IO Space – разрешение ответа на обращения к пространству ввода-вывода;

• бит 1 – Memory Space – разрешение ответа на обращения к пространству памяти;

• бит 2 – Bus Master – разрешение работы инициатором (в режиме прямого управления шиной); игнорируется в PCI–X при завершениях расщепленных транзакций;

• бит 3 – Special Cycles – разрешение реакции на специальные циклы;

• бит 4 – Memory Writes and Invalidate enable – разрешение использовать команды «запись с инвалидацией» при работе инициатором (если бит обнулен, то вместо этих команд должна использоваться обычная запись в память); игнорируется в PCI–X;