PCIe基础BDF和配置空间详解

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✨ 前言：

在PCI Express (PCIe) 架构中，”BDF”和”配置空间”是两个重要概念，它们与PCIe设备的识别和配置紧密相关。

✨ 一、 BDF定义

BDF是一种寻址机制，用于唯一标识系统中每个PCIe设备。BDF的全称是Bus/Device/Function，带有以下组成部分：

Bus：一个 8 位字段，表示设备所在的总线号。因为是8位，所以PCIe可以支持256个总线。
Device：一个 5位字段，表示特定总线上的设备号。每个总线可以有32个设备，编号从0到31。
Function：一个 3 位字段，表示特定设备的功能号。因为是3位，所以一个设备可以有最多8个功能。

这样的结构使得系统可以支持多达 256个总线 × 32个设备/总线 × 8个功能/设备 = 65536个唯一功能，这是个足够大的空间来满足现代计算机系统的需要。
需要注意的是，每个设备必须要有功能0（Fun0），其他的7个功能（Fun1~Fun7）都是可选的。
一个简单的例子如下图所示：

✨二、配置空间定义

什么是配置空间？
配置空间是每个PCIe设备的一个特定内存区域，它包含了管理该设备的关键信息，如设备ID、供应商ID、中断信息、BAR（基地址寄存器）等。
配置空间大小？
早期的PCI时期，系统为每个PCI设备分配的内存大小仅有256个Bytes。到后来的PCIE时期，随着设备性能增强，PCIE设备的配置空间扩展至4K个Bytes。在这里需要注意：PCIE一共支持256条Bus,32个Dev,8个Fun。因此在满负载的情况下，共需内存大小 = 4k * 256 328 = 256M，这个256M的内存空间是为PCIE设备准备的空间系统不可用。如下图所示：

下图是从PCI总线中继承过来的配置空间：

2.1 配置寄存器

配置空间内含有若干配置寄存器，以下是其中一些主要的寄存器：

供应商ID：用以识别制造商。 设备ID：特定于供应商的设备标识。 命令和状态寄存器：用以控制设备功能和报告设备状态。
类代码：指示设备的类型和功能。 BARs：用于映射设备到系统的地址空间，可以是内存或I/O地址。 中断行和中断引脚：包含中断相关配置。
能力列表：PCIe设备支持的额外功能（例如，电源管理、热插拔等）。

2.2 扩展配置空间

对于PCIe设备，扩展了更大的配置空间，通常为4KB，它允许更多的功能和复杂的配置。

2.3 如何访问配置空间

Legacy PCI Method：通过特定的CPU端口地址读取和写入。这种方法对于标准PCI设备而言是通用的，但对于PCIe设备来说，可能是受限的。
Memory-Mapped I/O：在这种机制下，配置空间被映射到系统的地址空间中，CPU可以通过常规的内存访问指令来访问配置空间。在现代系统中，这种方法被广泛采用，因为它更高效。
需要特别注意的是，PCIe的Spec中明确规定只有Root有权限发起配置请求（Originate Configuration Requests），也就是说PCIe系统里面的其他设备是不允许去配置其他设备的配置空间的，即peer-to-peer的配置请求是不允许的。并且配置请求的路由（Routing）方式只能是采用BDF（Bus，Device，Function）。
处理器一般不能够直接发起配置读写请求，因为其只能产生Memory Request和IO Request。这就意味着Root必须要将处理器的相关请求转换为配置读写请求。针对传统的PCI设备（Legacy PCI），采用的是IO间接寻址访问（IO-indirect Accesses）；针对PCIe设备，采用的是Memory-Mapped Accesses。

2.4 BDF和配置空间的应用

当系统启动时，操作系统和固件（如BIOS或UEFI）会枚举系统中的所有PCI/PCIe设备，读取它们的配置空间，并根据设备的功能和需要进行配置。例如，系统会根据BAR寄存器设置来分配内存或I/O资源给设备。BDF值在这个过程中作为设备的唯一标识符，用于设备选择和配置空间的寻址。
Root和Switch的每一个端口中都包含一个P2P桥，并且知道桥的配置空间头（Configuration Space Header）是Type1型的。如下图所示：

每个Type1型的Header中都包含最后一级总线号（Subordinate Bus Number）、下一级总线号（Secondary Bus Number）和上一级总线号（Primary Bus Number）等信息。当配置请求进行BDF路由的时候，正是依靠这些信息来确定要找的设备的。一个简单地例子如下图所示：

✨小结：

总而言之，BDF提供了唯一标识系统中PCIe设备的方法，而配置空间则是存储设备配置和管理信息的地方，对于PCIe设备的整个生命周期而言都是至关重要的。