用I/O命令訪問PCI總線設備配置空間

摘要：通過對PCI協(xié)議配置機制的分析，提出一種直接用I/O命令訪問PCI總線設備配置空間的方法，給出了相應的C語言程序，并在實際應用中得到驗證，從而在大多數(shù)情況下避免了復雜的驅動程序開發(fā)。

關鍵詞：PCI總線 配置空間 操作系統(tǒng)

PCI總線推出以來，以其獨有的特性受到眾多廠商的青睞，已經(jīng)成為計算機擴展總線的主流。目前，國內的許多技術人員已經(jīng)具備開發(fā)PCI總線接口設備的能力。但是PCI總線的編程技術，也就是對PCI總線設備的操作技術，一直是一件讓技術人員感到頭疼的事情。PCI總線編程的核心技術是對相應板卡配置空間的理解和訪問。一般軟件編程人員基于對硬件設備原理的生疏，很難理解并操作配置空間，希望硬件開發(fā)人員直接告訴他們怎樣操作；而PCI總線硬件開發(fā)人員雖深刻地理解了其意義，在沒有太多編程經(jīng)驗地前提下，也難于輕易地操作PCI板卡。結果大多是硬件技術人員花費大量時間和精力去學習DDK、WINDRVER等驅動程序開發(fā)軟件。

作者在開發(fā)PCI總線接口設備時，經(jīng)過對PCI總線協(xié)議的深入研究，從協(xié)議本身的角度出發(fā)，找到一種方面而快捷的PCI配置空間操作方法，只使用簡單的I/O命令即可找到特定的PCI總線設備并對其所有的配置空間進行讀寫操作。一旦讀得其配置空間的內容，即可中得到擔任系統(tǒng)對該PCI總線設備的資源分配。

1 PCI總線配置空間及配置機制

為避免各PCI設備在資源的占用上發(fā)生沖突，PCI總線采用即插即用協(xié)議。即在系統(tǒng)建立時由操作系統(tǒng)按照各設備的要求統(tǒng)一分配資源，資源分配的信息由系統(tǒng)寫入各PCI設備的配置空間寄存器，并在操作系統(tǒng)內部備份。各PCI設備有其獨自的配置空間，設計者通過對積壓設備（或插槽）的ISDEL引腳的驅動區(qū)分不同設備的配置空間。配置空間的前64個字節(jié)稱為配置空間的預定自區(qū)，它對每個設備都具有相同的定義且必須被支持；共后的空間稱為設備關聯(lián)區(qū)，由設備制造商根據(jù)需要定義。與編程有關的配置空間信息主要有：

（1）設備號（Device ID）及銷售商號（Vendor ID），配置空間偏移量為00h，用于對各PCI設備的區(qū)分和查找。為了保證其唯一性，Vendor ID應當向PCI特別興趣小組（PCI SIG）申請而得到。

（2）PCI基地址（PCI Base Address），配置空間偏移量為10～24h，設備通過設定可讀寫的高位數(shù)值來向操作系統(tǒng)指示所需資源空間的大小。比如，某設備需要64K字節(jié)的內存空間，可以將配置空間的某基地址寄存器的高16位設成可讀寫的，而將低16位置為0（只可讀）。操作系統(tǒng)在建立時，先向所有位寫1，實際上只有高16位被接收而被置成了1，低16位仍為0.這樣操作系統(tǒng)讀取該寄存器時，返回值為FFFF0000h，據(jù)此操作系統(tǒng)可以斷定其需要的空間大小是64K字節(jié)，然后分配一段空閑的內存空間并向該寄存器的高16位填寫其地址。

其它可能與編程有關的配置空間的定義及地址請參閱參考文獻[1]。

由于PC-AT兼容系統(tǒng)CPU只有內存和I/O兩種空間，沒有專用的配置空間，PCI協(xié)議規(guī)定利用特定的I/O空間操作驅動PCI橋路轉換成配置空間的操作。目前存在兩種轉換機制，即配置機制1#和配置機制2#。配置機制2#在新的設計中將不再被采用，新的設計應使用配置機制1#來產(chǎn)生配置空間的物理操作。這種機制使用了兩個特定的32位I/O空間，即CF8h和CFCh。這兩個空間對應于PCI橋路的兩個寄存器，當橋路看到CPU在局部總線對這兩個I/O空間進行雙字操作時，就將該I/O操作轉變?yōu)镻CI總線的配置操作。寄存器CF8h用于產(chǎn)生配置空間的地址（CONFIG-ADDRESS），寄存器CFCh用于保存配置空間的讀寫數(shù)據(jù)（CONFIG-DATA）。

配置空間地址寄存器的格式如圖1。

CF8H（局部總線）：

當CPU發(fā)出對I/O空間CFCh的操作時，PCI橋路將檢查配置空間地址寄存器CF8h的31位。如果為1，就在PCI總線上產(chǎn)生一個相應的配置空間讀或寫操作，其地址由PCI橋路根據(jù)配置空間地址寄存器的內容作如圖2所示的轉換。

CFCh (局部總線)：

設備號被PCI橋路譯碼產(chǎn)生PCI總線地址的高位地址，它們被設計者用作IDSEL信號來區(qū)分相應的PCI設備。6位寄存器號用于尋址該PCI設備配置空間62個雙字的配置寄存器（256字節(jié)）。功能號用于區(qū)分多功能設備的某特定功能的配置空間，對常用的單功能設備為000。某中PCI插槽的總線號隨系統(tǒng)（主板）的不同稍有區(qū)別，大多數(shù)PC機為1，工控機可能為2或3。為了找到某設備，應在系統(tǒng)的各個總線號上查找，直到定位。如果在0～5號總線上不能發(fā)現(xiàn)該設備，即可認為該設備不存在。

理解了上述PCI協(xié)議里的配置機制后，就可以直接對CF8h和CFCh兩個雙字的I/O空間進行操作，查找某個PCI設備并訪問其配置空間，從而得到操作系統(tǒng)對該PCI設備的資源分配。

2 用I/O命令訪問PCI總線配置空間

要訪問PCI總線設備的配置空間，必須先查找該設備。查找的基本根據(jù)是各PCI設備的配置空間里都存有特定的設備號（Device ID）及銷售商號（Vendor ID），它們占用配置空間的00h地址。而查找的目的是獲得該設備的總線號和設備號。查找的基本過程如下：用I/O命令寫配置空間的地址寄存器CF8h，使其最高位為1，總線號及設備為0，功能號及寄存器號為0，即往I/O端口CF8h80000000h；然后用I/O命令讀取配置空間的數(shù)據(jù)寄存器CFCh。如果該寄存器值與該PCI設備的Device ID及Vendor ID不相符，則依次遞增設備號/總線號，重復上述操作直到找到該設備為止。如果查完所有的設備號/總線號（1～5）仍不能找到該設備，則應當考慮硬件上的問題。對于多功能設備，只要設備配置寄存器相應的功能號值，其余步驟與單功能設備一樣。

如查找設備號為9054h，銷售商號為10b5的單功能PCI設備，用VC++6.0編寫的程序如下：

char bus;char device;

unsigned int ioa0,iod;

int scan( )

{

bus=0;device=0;

for(char i=0;i5;i++) {

for(char j=0;j32;j++) {

bus=i; device=j;

ioa0=0x80000000+bus*0x10000

+(device*8)*0x100;

_outpd(0xcf8,ioa0);

iod=_inpd(0xcfc);

if (iod0= =0x905410b5) return 0;

}

}

retrn -1

}

調用子程序scan( )，如果返回值為-1，則沒有找到該PCI設備。如果返回值為0，則找到了該PCI設備。該設備的總線號和設備號分別在全局變量bus和device中，利用這兩個變量即可輕易對該設備的配置空間進行訪問，從而得到分配的資源信息。假設該PCI設備占用了4個資源空間，分別對應于配置空間10h～1ch，其中前兩個為I/O空間，后兩個為內存空間，若定義其基地址分別為ioaddr1,ioaddr2,memaddr1,memaddr2,相應的程序如下：

unsigned short ioaddr1,ioaddr2;

unsigned int memaddr1,memaddr2;

unsigned int iobase,ioa;

void getbaseaddr(char bus,char device);

{

iobase=0x80000000+bus*0x10000+(device*8)*0x100;

ioa=iobase+0x10;/*尋址基地址寄存器0*/

_outpd(0xcf8,ioa);

ioaddr1=(unsigned short)_inpd(0xcfc)0xfffc;

/*屏蔽低兩位和高16位*/

ioa=iobase+0x14; /*尋址基地址寄存器1*/

_outpd(0xcf8,ioa);

ioaddr2=(unsigned short)_inpd(0xcfc)0xfffc;

ioa=iobase+0x18;/*尋址基地寄存器2*/

_outpd(0xcf8,ioa);

memaddr1=_inpd(0xcfc) 0xfffffff0;

/*屏蔽低4位*/

ioa=iobase+0x1c; /*尋址基地址寄存器3*/

_outpd(0xcf8,ioa);

memaddr2=_inpd(0xcfc) 0xfffffff0;

}

對于I/O基地址，最低兩位D0、D1固定為01，對地址本身無效，應當被屏蔽。對PC-AT兼容機，I/O有效地址為16位，因此高位也應被屏蔽。對于內存地址，最低位D0固定為0，而D1～D3用于指示該地址的一些物理特性[1]，因此其低4位地址應當被屏蔽。需要指出的是該內存地址是系統(tǒng)的物理地址，在WINDOWS運行于保護模式時，需要經(jīng)過轉換得到相應的線性地址才能對該內存空間進行直接讀寫。介紹該轉換方法的相關文章較為常見，此處不再贅述。

上述程序給出了讀取配置空間里的基地址的方法。另有相當多PCI設備通過配置空間的設備關聯(lián)區(qū)來設置該設備的工作狀態(tài)，可輕易地用I/O命令進行相應的設置，無須編寫繁雜的驅動程序。在開發(fā)PCI視頻圖像采集卡的過程中，該方法得到了實際應用。