Linux PCI和PCIe总线

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

1 PCIe中断
– PCI/PCIe设备中断都是level触发，并且请求信号为低电平有效
– PCI总线一般只有INTA#到INTD#的4个中断引脚，所以PCI多功能设备的func一般不会超过4个，但是共享中断除外

2 IOMMU
2.1 ARM SMMU
iommus = <&apps_smmu 0x300 0>：中间的数字0x300就是设备的Stream ID，执行DMA请求时，SMMU根据Stream ID找到设备在DDR中的STE（Stream Table Entry）。PCI的Stream ID等于BDF号。
SSID：Substream ID。ste.S1CDMax为0表示STE只支持一个CD（Context Descriptor），不需要使用SSID，如果S1CDMax不为0，那么支持的CD数目是2 ^ S1CDMax。当往STE中写入S1DSS = SSID0时就禁止了SSID功能。
TBU: Translation Buffer Unit for TLB
TCU: Translation Control Unit for Page Table Walks

2.2 x86 IOMMU
When a PCI device is assigned, KVM/QEMU call intel_iommu_page_mapping() to build VT-d DTE (Device Table Entry) to map the entire guest memory.

Kernel parameter intel_iommu=pt to set up pass through mode in context mapping entry. This disables DMAR in Linux kernel; but KVM still runs on VT-d and interrupt remapping still works.

In this mode, kernel uses swiotlb for DMA API functions but other VT-d functionalities are enabled for KVM. KVM always uses multi level translation page table in VT-d. By default, pass though mode is disabled in kernel.

PCIe PASID capability ID is equal to 0x1B (PCI_EXT_CAP_ID_PASID).

1）在虚拟化场景下，直通设备的中断是无法直接投递到Guest中的，而是由IOMMU截获中断，先将其中断映射到host的某个中断上，然后再重定向（由VMM写VMCS寄存器中的32 bits VM-entry interruption-information字段）到Guest内部。
2）IOMMU IRTE（Interrupt Remapping Table Entry，128bit）中的Destination ID字段指明中断要投递的CPU的APIC ID信息，vector字段指明中断号，VMM会为每个中断源分配一个IRTE，并且把guest分配的vector号填入到IRTE的vector域。
3）在进入guest执行前，kvm是关中断的，在VM-Exit完全恢复了host上下文后，才开中断。关中断是在vcpu_enter_guest函数中调用了local_irq_disable，开中断是在这个函数从kvm_x86_ops->run返回后（即VM-Exit后）调用local_irq_enable。
4）guest vcpu执行时，物理中断发生，导致VM-Exit，但是此时是关中断的，所以硬件不会响应中断，中断处于pending，在开中断后，硬件发现pending中断并开始响应，此时已经在host上下文中，IDT（Interrupt Descriptor Table）已经指向host的IDT，物理中断由host handler来处理。

3 Linux x86 PCIe调试
3.1 PCIe设备分类
– RC，BDF为00:00.0
– bridge就像hub，一般是个多功能的设备，传递数据需要仲裁，比较慢
– switch就像交换机，PCIe规范中引入，比较快
– endpoint，x86主板上内置设备的总线号一般为0，而外挂EP的总线号一般从1开始
Figure 3-1 Type0 Header

Figure 3-2 Type1 Header

3.2 基本概念
– PCIe QOS：TC（Traffic Class），TC的值从0到7，值越大，优先级越高，类似于支持AVB的EtherSwitch，因为PCIe设计之初主要是针对于音视频应用；一个TC对应一个VC buffer（Virtual Channel），如果只有一个VC buffer，那么设置的TC值无效
– PCIe超过256字节的配置空间需要找到基地址，在MMCFG中，偏移44字节（0x2c），长度为8个字节，而MCFG可以通过acpidump找到
– PCIe的domain在内核代码中叫segment，可以通过pci_domain_nr()获得
– dev号（也叫slot）和func号一般通过宏PCI_DEVFN()合并成一个字节
– 因为PCI规范允许单个系统拥有高达256个总线，所以总线编号是8位。但对于大型系统而言，这是不够的，所以，引入了域的概念，每个PCI域可以拥有最多256个总线，每个总线上可支持32个设备，所以设备号是5位，而每个设备上最多可有8种功能，所以功能号是3位
– I210一般连接在pcieport的Lane0

3.3 LTSSM状态的查询
– PCIESTS1 offset：328h
– PCIe的LTSSM控制寄存器一般位于bridge的配置空间中（x86或者synopsys）或者RC的私有的寄存器（qcom）
– 读取EP的上一级bridge的config space的0x328（假如EP直接连在RC的port上，读取RC私有的寄存器），就可以获得下一级EP的LTSSM状态。譬如读取bridge（00:13.0）的下一级EP状态：peeknpoke b r 0x00 13 0 328

CONFIG_PCI_MMCONFIG=y
MMCONFIG: PCIe Memory-Mapped Config

QNX读取桥配置空间0x328的方法：
pci-tool -D 0x5ada -vvvvv
pci-tool -d 0:19:2 –read=CFG:0x328

3.4 LTSSM链路训练结果
通过访问PCIe桥的配置寄存器获得
Link Capabilities：配置空间0x4c
Link Control and Link Status：配置空间0x50

3.5 Linux pcibios_init
x86 BIOS专门提供了针对PCI总线的操作，这些操作里就包括了总线枚举的整个过程，Linux kernel中的宏CONFIG_PCI_BIOS。在系统加电以后自检时，就会完成对PCI总线的枚举，之后Linux对PCI配置空间的访问都是通过BIOS调用的形式进行，提供有这些功能和服务的BIOS就称之为PCI BIOS 。需要注意的是Linux x86_64是不采用PCI BIOS访问PCI配置空间的，而是内核实现了直接访问PCI配置空间的函数（CONFIG_PCI_DIRECT）。

pcibios_init()的第一个功能是在内存中找到BIOS程序的代码（参考函数pci_find_bios），然后将调用BIOS例程的读写PCI配置空间的代码封装成函数赋值给pci_ops。

pci_ops里面的函数指针都是用来读写PCI配置空间的，把要读写的值和设备号告诉这些函数，在这些函数中调用了BIOS例程，并把这些值当作参数传给BIOS例程，BIOS再根据设备号和要读写的值来进行操作。所以Linux x86驱动程序中pci_read_config_byte()最终调用的是pci_bios_read_config_byte()。

zcat /proc/config.gz | grep PCI

3.6 PCIe Reset
– Cold Reset: PCI A15 pin RST
– Warm Reset (LTSSM)
– Hot Reset (LTSSM): PCIe Type1 Header config space offset 0x3E 16-bit Bridge Control register bit6 Secondary Bus Reset, bit6 can retrigger LTSSM Link Training from Rx.Detect
– FLR (Function Level Reset): find Synopsys PCIe Capability ID 0x10, read 12 bytes from Capability ID byte, index 8 and 9 is Device Control Register, bit15 is FLR, Linux FLR path is /sys/bus/pci/devices/BDF/reset

3.7 x86 MIPI60
Blackhawk USB560v2

4 ARM PCIe
4.1 MSM RC
drivers/pci/host/pci-msm.c
qcom平台上每个RC属于一个domain（PCIe规范叫segment），并且每个RC只连接一个EP。
Figure 4-1 qcom RC拓扑图

4.2 MSM ep_pcie
msm/ep_pcie
ep_pcie_enumeration()

5 PCI用户空间编程 – libpci
5.1 Android libpci库
external/pciutils

5.2 libpci判断一个PCI设备是不是PCIe
capability ID参考：include/uapi/linux/pci_regs.h
参数ptr是配置空间偏移地址0x34指向的一个字节（first capability list entry）。
static bool pci_is_pcie(struct pci_dev *pdev,
        unsigned char ptr)
{

    unsigned int value;
    unsigned int next_ptr;
    unsigned int cap_id;

    next_ptr = ptr;
    if (0 == ptr)
        return false;

    do {

        value = pci_read_long(pdev, next_ptr);
        next_ptr = (value >> 8) & 0xff;
        cap_id = value & 0xff;
        /* PCI Express Capability Structure */
        if (0x10 == cap_id)
            return true;
    } while (next_ptr);

    return false;
}

6 x86 GPIO
PCH（Platform Controller Hub）上大部分设备可以通过PCIe或IO方式访问，但PCH上部分设备需要访问PCH的私有空间，这部分空间通过P2SB（Primary to SideBand）的SBREG_BAR寄存器映射到内存空间，这段空间被称为PCR（PCH Private Configuration Space Register）。每个设备对应一个PortID，PortID表示设备在PCR空间的偏移量，在加上寄存器偏移就可以获取寄存器的地址。

x86 GPIO寄存器位于PCH的私有空间。GPIO被分组，每组对应一个PCR的PortID。GPIO community和PortID的对应关系如下所示。
SouthWest: 0xC0
NorthWest: 0xC4
North: 0xC5
West: 0xC7

7 Windows PCIe工具软件
Mindshare的Arbor
Teledyne LeCroy的TeleScan PE

8 Abbreviations
ATU：Address Translation Unit
BDF：Bus，Device，Function
MEI：Intel Management Engine Interface；一个独立的子系统，使用ARC处理器，OS是Minix 3，固件整合到BIOS中，通过PCI桥片在x86端访问ARC的local端
overhead：开销，包头包尾等由协议层而不是应用层添加的字节，也就是说，一个PCIe包中除了payload之外的附加字节（ACK、CRC等）都叫overhead
P2SB：x86 Primary to Sideband
PCIe bifurcation：分叉
RC：Root Complex，执行存储器域地址到PCIe域地址的翻译，ATU被配置好后，CPU将要访问的地址发给ATU，ATU翻译后生成TLP包发给对应的Endpoint
TLP：Transaction Layer Packet，TLP中包含BDF号或者要寻址的内存和IO地址及其范围
VMCS：Virtual Machine Control Structure