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Overview
4.1. BDF（Bus Number, Device Number, Function Number）
4.3. RCIE（Root Complex Integrated Endpoint）
?Links
PCIe（一） —— 基礎概念與設備樹
?Posted on?2023-05-22??In?01 Binary Life??Views:?6154??Disqus:?0 Comments
PCIe的全稱是Peripheral Component Interconnect Express，是一種用于連接外設的總線。它于2003年提出來，作為替代PCI和PCI-X的方案，現在已經成了現代CPU和其他幾乎所有外設交互的標準或者基石，比如，我們馬上能想到的GPU，網卡，USB控制器，聲卡，網卡等等，這些都是通過PCIe總線進行連接的，然后現在非常常見的基于m.2接口的SSD，也是使用NVMe協議，通過PCIe總線進行連接的，除此以外，Thunderbolt 3?[2]，USB4?[3]，甚至最新的CXL互聯協議?[4]，都是基于PCIe的！
所以一旦開始往設備相關的開發上面走了之后，PCIe可以算是一個繞不過的坎。這幾天看了一些和PCIe相關的資料，這里簡單的總結一下，也希望對大家有所幫助。這篇文章主要會聚焦在硬件的部分，和操作系統本身沒有什么太大的關系，無論是Windows還是Linux，底層的部分都是非常類似的，文章中也會提到調試的方法，不過會主要以Linux為主。
那我們就開始吧！
1. PCIe總體框圖
首先，我們先從PCIe的基本概念開始。PCIe的架構主要由五個部分組成：Root Complex，PCIe Bus，Endpoint，Port and Bridge，Switch。其整體架構呈現一個樹狀結構，如下圖所示：
2. Root Complex（RC）
Root Complex是整個PCIe設備樹的根節點，CPU通過它與PCIe的總線相連，并最終連接到所有的PCIe設備上。
由于Root Complex是管理外部IO設備的，所以在早期的CPU上，Root Complex其實是放在了北橋（MCU）上?[5]，后來隨著技術的發展，現在已經都集成進了CPU內部了?[8]。（注意下圖的System Agent的部分，他就是PCIe Root Complex所在的位置。）
另外，雖然是根節點，但是系統里面可以存在不只一個Root Complex。隨著PCIe Lane的增加，PCIe控制器和Root Complex的數量也隨之增加。比如，我的臺式機的CPU是i9-10980xe，上面就有4個Root Complex，而我的筆記本是i7-9750H，上面就只有一個Root Complex。我們在Windows上可以通過設備管理器來查看：
i9-11900Ki7-9750H
Linux上也類似。下圖是從我的服務器的主板說明書上截出來的框圖，用的CPU是EPYC 7742，可以很明顯的看到PEG P0-3，對應著4個PCIe Controller和Root Complex：[6]
而我們可以通過lspci命令來查看所有的Root Complex：
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$ lspci -t -v
-+-[0000:c0]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
+-[0000:80]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
+-[0000:40]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
\-[0000:00]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
3. PCIe總線（Bus）
PCIe上的設備通過PCIe總線互相連接。雖然PCIe是從PCI發展而來的，并且甚至有很多地方是兼容的，但是它與老式的PCI和PCI-X有兩點特別重要的不同：
PCIe的總線并不是我們傳統意義上共享線路的總線（Bus），而是一個點對點的網絡，我們如果把PCI比喻成網絡中的集線器（Hub），那么PCIe對應的就是交換機了。換句話說，當Root Complex或者PCIe上的設備之間需要通信的時候，它們會與對方直接連接或者通過交換電路進行點對點的信號傳輸。[7]
PCI BusPCIe Bus
老式的PCI使用的是單端并行信號進行連接，但是由于干擾過大導致頻率無法提升，所以后來就演變成PCIe之后就開始使用了高速串行信號。這也導致了PCI設備和PCIe設備無法兼容，只能通過PCI-PCIe橋接器來進行連接。當然這些我們都不需要再去關心了，因為現在已經很少看見PCI的設備了。
關于PCIe的通訊和包路由交換，我們先到這里，后面會更深入的介紹。
4. PCIe Device
PCIe上連接的設備可以分為兩種類型：
Type 0：它表示一個PCIe上最終端的設備，比如我們常見的顯卡，聲卡，網卡等等。
Type 1：它表示一個PCIe Switch或者Root Port。和終端設備不同，它的主要作用是用來連接其他的PCIe設備，其中PCIe的Switch和網絡中的交換機類似。
4.1. BDF（Bus Number, Device Number, Function Number）
PCIe上所有的設備，無論是Type 0還是Type 1，在系統啟動的時候，都會被分配一個唯一的地址，它有三個部分組成：
Bus Number：8 bits，也就是最多256條總線
Device Number：5 bits，也就是最多32個設備
Function Number：3 bits，也就是最多8個功能
這就是我們常說的BDF，它類似于網絡中的IP地址，一般寫作BB:DD.F的格式。在Linux上，我們可以通過lspci命令來查看每個設備的BDF，比如，下面這個FCH SMBus Controller就是00:14.0：
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$ lspci -t -v
# [Domain:Bus]
\-[0000:00]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
# Device.Function
? ? ? ? ? ? +-14.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] FCH SMBus Controller
在我們知道了任何一個設備的BDF之后，我們就可以通過它查看到這個設備的詳細信息了，如下：
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$ lspci -s 00:14.0 -vv
00:14.0 SMBus: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] FCH SMBus Controller (rev 61)
? ? ? ? Subsystem: Super Micro Computer Inc H12SSL-i
? ? ? ? Control: I/O+ Mem+ BusMaster- SpecCycle- MemWINV- VGASnoop- ParErr- Stepping- SERR- FastB2B- DisINTx+
? ? ? ? Status: Cap- 66MHz+ UDF- FastB2B- ParErr- DEVSEL=medium >TAbort- <TAbort- <MAbort- >SERR- <PERR- INTx-
? ? ? ? IOMMU group: 39
Kernel driverinuse: piix4_smbus
? ? ? ? Kernel modules: i2c_piix4, sp5100_tco
另外，由于默認BDF的方式最多只支持8個Function，可能不夠用，所以PCIe還支持另一種解析方式，叫做ARI（Alternative Routing-ID Interpretation），它將Device Number和Function Number合并為一個8bit的字段，只用于表示Function，所以最多可以支持256個Function，但是它是可選的，需要通過設備配置啟用?[1]。
4.2. Type 0 Device和Endpoint
所有連接到PCIe總線上的Type 0設備（終端設備），都可以來實現PCIe的Endpoint，用來發起或者接收PCIe的請求和消息。每個設備可以實現一個或者多個Endpoint，每個Endpoint都對應著一個特定的功能。比如：
一塊雙網口的網卡，可以每個為每個網口實現一個單獨的Endpoint；
一塊顯卡，其中實現了4個Endpoint：一個顯卡本身的Endpoint，一個Audio Endpoint，一個USB Endpoint，一個UCSI Endpoint；
這些我們都可以通過lspci或者Windows上的設備管理器來查看：
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$ lspci -t -v
-+-[0000:c0]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
# A NIC card with 2 ports:
|? ? ? ? ? +-01.1-[c1]--+-00.0? Mellanox Technologies MT2892 Family [ConnectX-6 Dx]
|? ? ? ? ? |? ? ? ? ? ? \-00.1? Mellanox Technologies MT2892 Family [ConnectX-6 Dx]
+-[0000:80]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
# A graphic card with 4 endpoints:
|? ? ? ? ? +-01.1-[81]--+-00.0? NVIDIA Corporation TU104 [GeForce RTX 2080]
|? ? ? ? ? |? ? ? ? ? ? +-00.1? NVIDIA Corporation TU104 HD Audio Controller
|? ? ? ? ? |? ? ? ? ? ? +-00.2? NVIDIA Corporation TU104 USB 3.1 Host Controller
|? ? ? ? ? |? ? ? ? ? ? \-00.3? NVIDIA Corporation TU104 USB Type-C UCSI Controller
4.3. RCIE（Root Complex Integrated Endpoint）
說到PCIe設備，腦海里面可能第一反應就是有一個PCIe的插槽，然后把顯卡或者其他設備插在里面，就像我們上面看到的這樣。但是其實系統中有大量的設備是主板上集成好了的，比如，內存控制器，集成顯卡，Ethernet網卡，聲卡，USB控制器等等。這些設備在連接PCIe的時候，可以直接連接到Root Complex上面。這種設備就叫做RCIE（Root Complex Integrated Endpoint），如果我們去查看的話，他們的Bus Number都是0，代表Root Complex。
4.4. Port / Bridge
那么其他的需要通過插槽連接的設備呢？這些設備就需要通過PCIe Port來連接了。
在Root Complex上，有很多的Root Port，這些Port每一個都可以連接一個PCIe設備（Type 0或者Type 1）。
本質上，所有這些連接其他設備用的部件都是由橋（Bridge）來實現的，這些橋的兩端連接著兩個不同的PCIe Bus（Bus Number不同）。比如，一個Root Port其實是靠兩個Bridge來實現的：一個（共享的）Host Bridge（上游連接著CPU，下游連接著Bus 0）和一個PCI Bridge用來連接下游設備（上游連著的是Bus 0（Root Complex），下游連著的PCIe的設備（Bus Number在啟動過程中自動分配））?[1]。
我們通過lspci命令可以看到這些橋的存在（注意設備詳情中的Kernel driver in use: pcieport）：
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+-[0000:80]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
# This is the Host bridge that connects to the root port and CPU:
|? ? ? ? ? +-01.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse PCIe Dummy Host Bridge
# This is the PCI bridge that connects to the root port and device with a new bus - 0x81:
|? ? ? ? ? +-01.1-[81]--+-00.0? NVIDIA Corporation TU104 [GeForce RTX 2080]
|? ? ? ? ? |? ? ? ? ? ? +-00.1? NVIDIA Corporation TU104 HD Audio Controller
|? ? ? ? ? |? ? ? ? ? ? +-00.2? NVIDIA Corporation TU104 USB 3.1 Host Controller
|? ? ? ? ? |? ? ? ? ? ? \-00.3? NVIDIA Corporation TU104 USB Type-C UCSI Controller
# Host bridge
$ sudo lspci -s 80:01.0 -v
80:01.0 Host bridge: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse PCIe Dummy Host Bridge
? ? ? ? Flags: fast devsel, IOMMU group 13
# PCI bridge
$ sudo lspci -s 80:01.1 -v
80:01.1 PCI bridge: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse GPP Bridge (prog-if 00 [Normal decode])
? ? ? ? Flags: bus master, fast devsel, latency 0, IRQ 35, IOMMU group 13
? ? ? ? Bus: primary=80, secondary=81, subordinate=81, sec-latency=0
? ? ? ? I/O behind bridge: 0000b000-0000bfff [size=4K]
? ? ? ? Memory behind bridge: f0000000-f10fffff [size=17M]
? ? ? ? Prefetchable memory behind bridge: 0000020030000000-00000200420fffff [size=289M]
? ? ? ? ....
Kernel driverinuse: pcieport
注意：是否使用PCIe Bridge和是否通過插槽連接不能直接劃等號，這取決于你系統的硬件實現，比如，從上面RCIE的截圖中我們可以看到USB Controller作為RCIE存在，而下面EPYC的CPU則不同，USB控制器是通過Root Port連接的，但是它在主板上并沒有插槽。
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$ lspci -t -v
+-[0000:40]-+-00.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
? ? ? ? ? ? +-03.0? Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse PCIe Dummy Host Bridge
|? ? ? ? ? +-03.3-[42]----00.0? ASMedia Technology Inc. ASM1042A USB 3.0 Host Controller
# ^====== 40:03.3 here is a Bridge. And USB controller is connected
#? ? ? ? to this Bridge with a new Bus Number 42.
4.5. Switch
如果我們需要連接不止一個設備怎么辦呢？這時候就需要用到PCIe Switch了。
PCIe Switch內部主要有三個部分：
一個Upstream Port和Bridge：用于連接到上游的Port，比如，Root Port或者上游Switch的Downstream Port
一組Downstream Port和Bridge：用于連接下游的設備，比如，顯卡，網卡，或者下游Switch的Upstream Port
一根虛擬總線：用于將上游和下游的所有端口連接起來，這樣，上游的Port就可以訪問下游的設備了
另外，這里再說明一次 —— 由于PCIe的信號傳輸是點對點的，所以Switch中間的這個總線只是一個邏輯上的虛擬的總線，其實并不存在，里面真正的結構是一套用于轉發的交換電路?[9]。
最后，看到這里也許你會突然想到Root Complex是不是也可以看成是一個Switch呢？我覺得這兩個概念最好還是分開，雖然從很多框圖上看著確實很像，只不過Root Complex沒有Upstream Port，連接上游的Host Bridge是連接到CPU上，不過Root Complex內部的功能要遠比Switch復雜的多，里面不僅僅是簡單的包轉發，比如，后面會說到的PCIe請求的生成和轉換等等。
5. 小結
好了，到這里我們已經將PCIe設備樹中的主要部件都介紹完畢了。如果我們把所有這些部件連接在一起，那么其整體的結構就是這樣的?[10]：
好的，為了避免文章過長，我們這一篇就先到這里，后面有時間再繼續總結和PCIe相關的其他知識，比如配置空間和域，消息和消息路由等等。
6. 參考資料
[1]:?PCI Express Base Specification
[2]:?Thunderbolt? 3 Technology Brief
[3]:?USB4? Specification
[4]:?Compute Express Link? (CXL?) Specification
[5]:?Intel? 3000 and 3010 Chipset Memory Controller Hub (MCH) datasheet
[6]:?H12DSi-NT6 motherboard manual
[7]:?fpga4fun - PCI Express 2 - Topology
[8]:?White Paper: Introduction to Intel? Architecture
[9]:?Crossbar Switch
[10]:?Mindshare - An Introduction to PCI Express
同系列文章：
原創文章，轉載請標明出處：Soul Orbit
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