1. 概述

1）PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是繼ISA和PCI總線之后的第三代I/O總線。一般翻譯為周邊設備高速連接標準。

2）PCIe協(xié)議是一種端對端的互連協(xié)議，提供了高速傳輸帶寬的解決方案。目前PCIe已經(jīng)發(fā)展到第四代PCIe4.0， 每一代的發(fā)展，最明顯的特征就是速率翻倍。

3）是Intel公司1991年推出的。批準組織：PCI SIG （PCI興趣小組）

4）一個x16插槽可以運行x1、x2、x4、x8、x16的卡

2. PCIe 布線規(guī)則

從金手指邊緣到PCIe芯片管腳的走線長度應限制在4英寸（約100MM）以內(nèi)。

PCIe的PERP/N，PETP/N，PECKP/N是三個差分對線，注意保護（差分對之間的距離、差分對和所有非PCIe信號的距離是20MIL，以減少有害串擾的影響和電磁干擾（EMI）的影響。芯片及PCIe信號線反面避免高頻信號線，最好全GND）。

差分對中2條走線的長度差最多5MIL。2條走線的每一部分都要求長度匹配。差分線的線寬7MIL，差分對中2條走線的間距是7MIL。

當PCIe信號對走線換層時，應在靠近信號對過孔處放置地信號過孔，每對信號建議置1到3個地信號過孔。PCIE差分對采用25/14的過孔，并且兩個過孔必須放置的相互對稱。

PCIe需要在發(fā)射端和接收端之間交流耦合，差分對的兩個交流耦合電容必須有相同的封裝尺寸，位置要對稱且要擺放在靠近金手指這邊，電容值推薦為0.1uF。

SCL等信號線不能穿越PCIe主芯片。

3. PCIe 分類、速度

按lane（ 車道 --》 通道 ）的個數(shù)分有 x1 x2 x4 x8 x16 （最大可支持32個通道）

按代來分 有 gen1 gen2 gen3 gen4 gen5

速度：

PCIe 與 PCI 之間的區(qū)別

速度上

PCI的工作頻率分為33MHz和66MHz，最大吞吐率 266MB/s

PCIe如3中描述，PCIe 1.0 x1 的吞吐率就達到了250MB/s

傳輸方式上

PCI 是并行數(shù)據(jù)傳輸，一次傳輸4字節(jié)/8字節(jié)，半雙工

PCIe是串行數(shù)據(jù)傳輸，全雙工

硬件上

傳輸PCI信號的是普通電平

傳輸PCIe信號的是差分電平

鏈路上

PCI是總線的連接方式

PCIe是點對點的連接方式

點對點拓撲是什么樣的？

PCIe的物理連接方式：

5. 編碼方式介紹

PCIe gen1 和 PCIe gen2 采用的編解碼方式是 8b/10b，PCIe gen3 和 之后的 采用的是 128b/130b 的編碼方式。

8b/10b 意思是說，當我們要傳輸8b的數(shù)據(jù)時，實際在通道上傳輸?shù)氖?0b的數(shù)據(jù)，解碼的時候，我們希望得到的是8b的有效數(shù)據(jù)。這樣，相當于有效的帶寬是實際帶寬的 80%。

同理128b/130b，是傳輸128bit數(shù)據(jù)實際線路中傳輸?shù)氖?30bit數(shù)據(jù)。

速率圖中的單位間的關系：

傳輸速率單位 GT/s，表示 千兆傳輸/秒，是實際每秒傳輸?shù)奈粩?shù)，他不包括額外吞吐量的開銷位。

兩個例子：

PCIe gen1 x1 傳輸速率 2.5GT/s = 2500MT/s = （ 2500 / 10 ） MB/s

PCIe gen3 x1 傳輸速率 8GT/s = 8000MT/s = （ 8000 / 130 ） x （ 128/8 ） MB/s= 984.6153.。. MB/s

6. inbound 和 outbound

在PCIe設備和系統(tǒng)內(nèi)存互相訪問時，outbound是指CPU到設備方向；inbound指Device--》 RC（CPU端）方向。從這個概念上說，設備（device）都是外部的，沒有內(nèi)部設備之說。CPU讀寫RC 端的寄存器時，還是屬于片上系統(tǒng)的范圍，所以既不是inbound 也不是outbound。

7. PCI 配置空間

PCI設備擁有256B的配置空間，PCIe還提供另外4KB的擴展，這256B的配置空間中前64B是規(guī)范了的，其他的字節(jié)是各個廠商自己定義的。

7.1 PCI 設備的地址組成

① 總線號 --- 廠家ID

② 設備號 --- 設備ID

③ 功能號 --- 設備類

查看PCI設備的工具是 lspci

使用工具 lspci 查找 ①②③

》lspci

上邊輸出的每行開頭邏輯地址（XX:YY.Z）分別表示①②③，

其中一個PCI域能容納 256 個總線，

每個總線可以支持 32 個PCI設備，

每個PCI設備可容納 8 個PCI功能

》 lspci -t （以樹狀結(jié)構(gòu)顯示）

》 lspci -x （打印出配置空間前64字節(jié)的內(nèi)容）

》 lspci -s （指定哪個）

挑選一個 VGA compatible controller，如下

》 lspci -s 01:00.0 -vxx

字節(jié)序是小端格式，

［ 0 - 1 ］ 表示的是廠家 ID，上圖的是 0x10de

［ 2 - 3 ］ 表示的是設備 ID，上圖的是 0x0659

［ 9 - 11 ］ 表示的是設備類型代碼，上圖的是 0x030000

［14］表示的是設備類型，00表示普通端點設備；01表示Bridge設備；02表示CardBus bridges

使用命令查詢PCI設備的廠商號和設備號

》 lspci -n -s 01:00.0

列出格式 【設備類型：廠商ID：設備ID】

設備類型介紹：

設備類型可以在 http://pci-ids.ucw.cz/read/PD 網(wǎng)站進行查詢，包括 classes、subclasses、Program interfaces 三部分，上圖中的設備類型是 030000依次對應下圖，03是 Device classes，00是Device subclasses，00是Program interfaces

7.2 基地址/BAR

BAR0： 0XF6000000

BAR1： 0XC000000C

。..。

BAR5:0X0000E001

有6個BAR空間，每個BAR記錄了該設備映射的一段地址空間，為了區(qū)分 IO空間和 IO內(nèi)存，分開描述如下：

當BAR的最后一位為0，如下圖，表示這是映射的IO內(nèi)存，1-2位表示內(nèi)存的類型，00=任意32位地址，01=少于1M，10=任意64位地址，11保留。bit1為1表示區(qū)間大小超過1M，為0表示不超過1M。bit3表示是否支持可預取。

如上例子中，BAR0是 映射的IO內(nèi)存，32位地址，不超過1M，不支持預取。

BAR1（最后幾位0110）也是映射的IO內(nèi)存，64位地址，區(qū)間大小超過1M，不支持預取。

當BAR的最后一位為1，如下圖，表示這是映射的IO地址空間。上邊例子中的BAR5（最后一位是1）是映射的是IO地址空間，基地址是 0x0000e

中斷

由配置空間的IRQ Pin決定是否支持中斷，1表示支持，0表示不支持，加入支持，IRQ Line是中斷號。

上邊的例子中支持中斷號，中斷號是0x0b

訪問PCI

PCI設備包含3個尋址空間：配置空間、I/O端口 和 設備內(nèi)存。

驅(qū)動中操作 PCI 的配置區(qū)（上邊討論的64B的空間）

pci_read_config_［byte|word|dword］（struct pci_dev *pdev， int offset， int *value）;

pci_write_config_［byte|word|dword］（struct pci_dev *pdev， int offset， int value）;

offset， 想訪問的配置空間中字節(jié)位置

value， 對read函數(shù)來說，用于存放讀回來的數(shù)據(jù)

對write函數(shù)來說，是要寫進去的值（這個int.。..。）

驅(qū)動中操作 I/O和內(nèi)存

I/O區(qū)域包含寄存器，內(nèi)存區(qū)域存放數(shù)據(jù)。

驅(qū)動中操作 PCI 的I/O和內(nèi)存

unsigned long pci_resource = pci_resource_［start|len|end|flags］ （struct pci_dev *pdev， int bar）;

start， 區(qū)域的基地址

bar， 取值 0 - 5

8. PCIe 的配置空間

PCI的配置空間是256字節(jié)，即 0x00~0xFF，而PCIe的配置空間是4k字節(jié)，即 0x00~0xFFF。

PCIe 一共支持 256條bus，32個dev，8個fun。同PCI是一樣的。共需要內(nèi)存大小= 4k * 256 *32*8 = 256K Bytes = 256M，這個256M的內(nèi)存空間是為PCIe設備準備的空間系統(tǒng)不可用。

PCIe設備發(fā)展向前兼容PCI，每個設備的配置空間的前256個Byte是PCI空間，后（4k-256）個Byte的空間是PCIe擴展空間

Root和Switch的每一個端口中都包含一個P2P橋，橋的配置空間是Type1型

每個Type1型的Header中都包含最后一級總線號（Subordinate Bus Number）、下一級總線號（Secondary Bus Number）和上一級總線號（Primary Bus Number）等信息。當配置請求進行BDF路由的時候，正是依靠這些信息來確定要找的設備的。

9. PCIe 屬性

服務質(zhì)量（Qos）

決斷振幅和帶寬

10. FAQ

TLP 和 DLLP 是什么？

TCP 是 事務層包的簡寫，結(jié)構(gòu)下圖

Capability是什么？

Capability是device通過在4k Byte的Configuration Space里告訴host它支持哪些特性的，而Capability又大致分為基本的Capability與之后擴展的Capability，在使用4K的配置空間時兩者大同小異，都是采用鏈表形式來自定義Capability的位置的，唯一的區(qū)別是后者種類多，且不同廠商所支持的Capability有很大區(qū)別。如下圖為Configuration Space的基本架構(gòu)——0-3Fh（PCI Head域），40h-FFh（基本Capability區(qū)域），100-FFF（擴展Capability區(qū)域）。

基本的Capability

Capability point是在0-3Fh（PCI Head域），偏移為34h，用于存放第一個Capability的偏移量，偏移量的范圍是40h-FFh（基本Capability區(qū)域），這段區(qū)間可任意讓你分配各種基本Capability。

擴展的Capability

第一個擴展Capability默認就從100h的偏移位置開始放置，而不是像基本的Capability那樣從34h通過指針指過來。

PCI總線空間與處理器空間隔離

PCI設備具有獨立的地址空間，即PCI總線地址空間，該空間與存儲器地址空間通過HOST主橋隔離。處理器需要通過HOST主橋才能訪問PCI設備，而PCI設備需要通過HOST主橋才能訪問主存儲器。

處理器訪問PCI設備時，必須通過HOST主橋進行地址轉(zhuǎn)換，反過來也是。HOST主橋的一個重要作用就是將處理器訪問的存儲器地址轉(zhuǎn)換成PCI總線地址。

原文標題：FPGA學習-PCIe基礎知識

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