摘? 要: 通過對PCI協議配置機制的分析,提出一種直接用I/O" title="I/O">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,從而在大多數情況下避免了復雜的驅動程序開發。
關鍵詞: PCI總線? 配置空間? 操作系統
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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具備開發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,希望硬件開發人員直接告訴他們怎樣操作;而PCI總線硬件開發人員雖深刻地理解了其意義,在沒有太多編程經驗地前提下,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等驅動程序開發軟件。
作者在開發PCI總線接口設備時,經過對PCI總線協議的深入研究,從協議本身的角度出發,找到一種方便而快捷的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,即可得到操作系統對該PCI總線設備的資源分配" title="資源分配">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生沖突,PCI總線采用即插即用協議。即在系統建立時由操作系統按照各設備的要求統一分配資源,資源分配的信息由系統寫入各PCI設備的配置空間寄存器,并在操作系統內部備份。各PCI設備有其獨自的配置空間,設計者通過對各設備(或插槽)的IDSEL引腳的驅動來區分不同設備的配置空間。配置空間的前64個字節稱為配置空間的預定首區,它對每個設備都具有相同的定義且必須被支持;其后的空間稱為設備關聯區,由設備制造商根據需要定義。與編程有關的配置空間信息主要有:
(1)設備號" title="設備號">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10h～24h,設備通過設定可讀寫的高位數值來向操作系統指示所需資源空間的大小。比如,某設備需要64K字節的內存空間,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。這樣操作系統讀取該寄存器時,返回值為FFFF0000h，據此操作系統可以斷定其需要的空間大小是64K字節,然后分配一段空閑的內存空間并向該寄存器的高16位填寫基地址。
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CPU只有內存和I/O兩種空間,沒有專門的配置空間,PCI 協議規定利用特定的I/O空間操作驅動PCI橋路" title="橋路">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" title="局部總線">局部總線對這兩個I/O空間進行雙字操作時,就將該I/O操作轉變為PCI總線的配置操作。寄存器CF8h用于產生配置空間的地址(CONFIG-ADDRESS),寄存器CFCh用于保存配置空間的讀寫數據(CONFIG-DATA)。
配置空間地址寄存器的格式如圖1。
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CF8H(局部總線)：
當CPU發出對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總線上產生一個相應的配置空間讀或寫操作,其地址由PCI橋路根據配置空間地址寄存器的內容作如圖2所示的轉換。
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CFCh (局部總線)：
設備號被PCI橋路譯碼產生PCI總線地址的高位地址,它們被設計者用作IDSEL信號來區分相應的PCI設備。6位寄存器號用于尋址該PCI設備配置空間64個雙字的配置寄存器(256字節)。功能號用于區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。其中PCI插槽的總線號隨系統(主板)的不同稍有區別,大多數PC機為1,工控機可能為2或3。為了找到某設備,應在系統的各個總線號上查找,直到定位。如果在0~5號總線上不能發現該設備,即可認為該設備不存在。
理解了上述PCI協議里的配置機制后,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。查找的基本根據是各PCI設備的配置空間里都存有其特定的設備號(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,總線號及設備號為0,功能號及寄存器號為0,即往I/O端口CF8h寫80000000h;然后用I/O命令讀取配置空間的數據寄存器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,直至找到該設備為止。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,只要設置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； i<5； i++) {
???????????????????? for(char j=0； j<32； j++) {
??????????????????????????? bus=i；? device=j；
??????????????????????????? ioa0=0x80000000+bus*0x10000
???????????????????? +(device*8)*0x100；
??????????????????????????? _outpd(0xcf8， ioa0)；?
??????????????????????????? iod=_inpd(0xcfc)；
??????????????????????????? if (iod0==0x905410b5) return 0；
???????????????????? }
?????? }
return -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； /*尋址基地址寄存器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的物理地址,在WINDOWS運行于保護模式時,需要經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區來設置該設備的工作狀態,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PCI視頻圖像采集卡的過程中,該方法得到了實際應用。
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參考文獻
1劉顯慶,劉仁普. 微機總線規范. 北京:機械工業出版社,1995
2 Tom Shanley&Don Anderson.? PCI System Architecture.?MINDSHARE.INC， 1999