一
PCI初始化的主要目標

PCI設備（包括PCI橋），與主板之間的連接關系為：設備－[(PCI次層總線)－(PCI-PCI橋)]*－{(PCI主總線)－(宿主-PCI橋)}－主板（*表示0或多層）。總之，所有PCI設備，都直接或間接的連接到了主板上，并且每個PCI設備的內部，必然存在一些存儲單元，服務于設備功能，包括寄存器、RAM，甚至ROM，本文將它們稱為”功能存儲區間”，以便與”配置寄存器組”（用于設備配置的存儲區間）區分。

◆為”功能存儲區間”，分配地址

為了避免存儲單元相互沖突，使CPU可以正常訪問所有PCI設備的所有”功能存儲區間”，PCI初始化階段，必須將這些區間，映射到獨立的內存或I/O地址區間*（存儲單元可以用內存訪問指令訪問，還是用I/O指令訪問，就是由映射到什么區間決定，而跟存儲單元是什么介質，以及所在的硬件無關）*。

◆為PCI橋，分配地址窗口

PCI橋作為一種特殊的PCI設備，除了服務于自身的”功能存儲區間”，還要為次層總線占據一份內存或I/O區間（總線上沒有寄存器，占用的地址空間由所在PCI橋記錄），以供次層總線上的PCI設備分配，并且用于判斷一個地址，是否在次層總線內部，對來自上游或下游的訪問地址進行過濾。

◆將可以產生中斷的設備，連接到中斷控制器

“PCI設備-PCI插槽-中斷請求路徑互連器”之間，中斷請求線的連接都是由硬件設計決定，只有”中斷請求路徑互連器-中斷控制器”之間的連接，有些情況需要軟件設置，一旦所有元件之間的連接都確定了，PCI設備連接著中斷控制器的哪根線，就也確定了，并且由內核負責，將其記錄到PCI設備的PCI_INTERRUPT_LINE配置寄存器*（注意，這個寄存器只起記錄作用，修改其值，并不會改變中斷請求線的連接關系）*。

◆管理對象分配

分別為所有PCI總線和設備，分配pci_bus和pci_dev管理對象，記錄設備信息（比如，將映射的內存和I/O區間，記錄到resource成員，將連接的中斷控制器請求線，記錄到irq成員）。

二
“配置寄存器組”頭部

“配置寄存器組”，一方面提供設備的出廠信息，另一方面，用于系統軟件對設備進行配置。其中，前64字節，必須按照PCI標準使用，稱為”配置寄存器組”的頭部，頭部又分為”0型”、”1型”和”2型”，不過，不管哪種頭部，前16字節的格式都是一樣的（頭部類型就包含在其中），只是后48字節格式不同。頭部之后的192字節，由具體設備自行使用，如果不需要，沒有也是可以的。

2.1. type0 header

◆PCI_HEADER_TYPE（見：drivers/pci/pci.c，pci_setup_device()函數）

頭部類型：0，普通PCI設備（包括非橋設備，以及除”PCI-PCI”和”PCI-CardBus”之外的橋設備（比如：”宿主-PCI”橋、”PCI-ISA”橋等））；1，PCI-PCI橋；2，PCI-CardBus橋（專用于筆記本）。

◆PCI_CLASS_DEVICE（見：include/linux/pci_ids.h, 1~118行）

高8位
 |- 0x02：網絡設備
 |  |- 低8位 == 0 && PCI_CLASS_PROG == 0
 |     |- Ethernet網卡
 |- 0x07：簡單通信控制器
 |  |- 低8位 == 0x01：并行口
 |     |- PCI_CLASS_PROG
 |        |- 0：單向
 |        |- 1：雙向
 |        |- 2：符合ECP 1.0規定
 |- 0x06：PCI橋
    |- 低8位
        |- 0x00："宿主-PCI"橋
        |- 0x01："PCI-ISA"橋
        |- 0x04："PCI-PCI"橋
        |- 0x07："PCI-CARDBUS"橋

◆PCI_VENDOR_ID

制造廠商代號。

◆PCI_DEVICE_ID

設備代號（用于區分同一家廠商的不同產品）。

◆PCI_BASE_ADDRESS_0~PCI_BASE_ADDRESS_5

設備中除了配置寄存器，還包含另外一些寄存器，用于實現設備功能，為了表述方便，可以將其稱為”功能寄存器”，PCI_BASE_ADDRESS_0~PCI_BASE_ADDRESS_5作為配置寄存器，就是用于配置前提供設備中各個”功能寄存器”區間的大小，配置后為這些區間設置合適的PCI地址。另外，直接讀取PCI_BASE_ADDRESS_0~PCI_BASE_ADDRESS_5，得到的是區間地址加上一些標志位，先往里面寫入全1再讀，就是區間長度。

◆PCI_ROM_ADDRESS

設備中除了包含”功能寄存器”，還有可能包含一塊ROM，PCI_ROM_ADDRESS配置寄存器，就是用于提供ROM大小，以及配置ROM的PCI地址。

2.2. type1 header

◆PCI_PRIMARY_BUS

PCI橋的上游總線號。

◆PCI_SECONDARY_BUS

PCI橋的下游總線號。

◆PCI_SUBORDINATE_BUS

以PCI橋下游總線為根的總線樹上，最大的總線號（為總線編號時，是按”深度優先”的方式進行遍歷，所以根的編號不是最大），CPU可以以此判斷，要訪問的PCI地址，是否落在當前PCI橋連接的總線樹上，避免遍歷所有總線。

2.3. IO空間”0xCF8~0xCFF”

根據PCI規范說明，可以通過”0xCF8”和”0xCFC”兩個32位寄存器，讀寫PCI設備的”配置寄存器組”（對于內核開發，直接按照規范使用即可，不需要關心PCI規范的硬件實現，比如為什么是”0xCF8”和”0xCFC”這兩個I/O端口號，以及根據其中內容尋找并讀寫PCI設備的具體過程）：

地址寄存器：用于指定配置寄存器地址；

數據寄存器：對于讀操作，用于從中獲取讀取結果，對于寫操作，用于往里填充寫入內容。

由于目標地址包含總線號和設備號，所以讀寫前，所有PCI總線和設備，都要有自己的編號。其中，對于總線編號， PCI橋提供了PCI_PRIMARY_BUS和PCI_SECONDARY_BUS配置寄存器，由軟件進行設置，而設備編號，卻沒有對應的配置寄存器。個人理解，這是因為，總線編號，受總線在樹中的位置決定，是PCI廠商無法預測的，而設備編號，只要能夠表明設備在單條總線上的局部位置即可，所以可以與PCI插槽位置等效，這在PCI總線出廠時就能確定，所以不需要軟件執行枚舉編號。

至此，還可以看出PCI設備中，配置寄存器與”功能存儲區間”讀寫渠道的區別：通過”0xCF8”和”0xCFC”寄存器讀寫”配置寄存器”->通過”配置寄存器”，配置”功能存儲區間”地址->直接根據配置地址訪問”功能存儲區間”。

三
PCI BIOS

BIOS程序燒刻在ROM（只讀/不揮發內存），其中，有些廠商的主板，BIOS提供了PCI操作功能，就稱為”PCI BIOS”。對于CPU來說，主板加電后，BIOS程序立即就可以執行，而內核程序，必須先由BIOS從MBR（主引導扇區），加載引導程序，再由引導程序加載到RAM（內存），才可以執行。

3.1. 加電自檢階段

“PCI BIOS”包含的很多PCI操作功能，在加電自檢階段就會被執行，本意是為內核省事情。但是，由于一些廠商的BIOS，存在這樣或那樣的問題，以及嵌入式主板中，甚至沒有BIOS，所以Linux內核自己實現了一套獨立的PCI操作接口，可以完全不依賴BIOS，不過對于已經在自檢階段完成的操作，Linux內核會盡量保持BIOS的設置，有些情況，會調用自己實現的接口，對其進行補充或修正，有些情況，甚至不再調用自己實現的接口，完全接受BIOS的處理結果。

3.2. 內核執行階段

“PCI BIOS”還有一些PCI操作功能，作為接口提供給內核程序使用，當內核希望自己完成一些PCI操作，又不想過分關注PCI硬件spec時，就可以通過lcall指令，直接調用“PCI BIOS”提供的功能。不過，同樣為了避免BIOS中的各種問題，以及沒有BIOS的情況，Linux內核對這些接口，也自己實現了一份，并且，Linux內核中的PCI操作函數，分別通過CONFIG_PCI_BIOS和CONFIG_PCI_DIRECT宏，選擇調用哪套接口。顯然，這兩個宏至少要有一個是打開的，并且，兩者互不相斥，都打開時，內核通常優先使用自己的接口，或用自己的接口，對BIOS接口的操作結果進行修正。

3.3. 內核對BIOS的依賴

《Linux內核源代碼情景分析》，p1025：

《Linux內核源代碼情景分析》，p1030：

對于書上的說法，我一開始誤解為：不管什么情況，即使沒有BIOS，內核也能自己完成PCI操作，而是否依賴，可以通過CONFIG_PCI_BIOS宏，進行控制。

帶著這個誤解，分析完i386架構下的pci_init()函數后，我產生了一個困惑：沒有看到設置PCI設備PCI_IO_BASE和PCI_MEMORY_BASE寄存器的代碼。然而，為各個PCI設備配置內存和I/O空間，可是PCI初始化的根本目標之一，所以既然內核沒有設置，那就一定依賴了BIOS的設置，這就跟我的誤解沖突了。

為了重新理解書上的說法，我首先想到的是，不定義CONFIG_PCI_BIOS宏，只會影響內核代碼的編譯結果，關閉內核函數對BIOS接口的調用，并不能影響加電自檢時BIOS執行哪些PCI操作，因為BIOS程序在主板出廠時，就已經固定了。

i386架構下，內核代碼所有對BIOS接口的調用，都在pcibios_init()或它調用的函數中：

pcibios_init()
 |- pci_find_bios()                          // #ifdef CONFIG_PCI_BIOS
 |   |- check_pcibios()
 |   |   |- lcall &pci_indirect              // 通過call指令，進入BIOS調用入口
 |   |- return &pci_bios_access
 |       |- pci_bios_OP_config_SIZE()        // OP: read/write; SISE: byte/word/dword
 |           |- lcall &pci_indirect
 |- pcibios_irq_init()
 |   |- pcibios_get_irq_routing_table()      // #ifdef CONFIG_PCI_BIOS
 |   |   |- lcall &pci_indirect
 |   |- pirq_find_router()
 |       |- pirq_router = &pirq_bios_router  // #ifdef CONFIG_PCI_BIOS
 |           |- pcibios_set_irq_routing()
 |               |- lcall &pci_indirect
 |- pcibios_sort()                           // #ifdef CONFIG_PCI_BIOS
     |- pci_bios_find_device()
     |- lcall &pci_indirect

另外，為防止看漏了，我對內核設置PCI_MEMORY_BASE寄存器的語句，進行了搜索：

結果發現，i386架構下，內核代碼確實沒有設置過PCI_IO_BASE和PCI_MEMORY_BASE寄存器，但在arm架構下（arch/arm/kernel/bios32.c），是由內核自己配置：

pcibios_init()
 |- pci_assign_unassigned_resources()
     |- pbus_assign_resources()
         |- pci_setup_bridge()
             |- pci_write_config_dword(bridge, PCI_IO_BASE, l)
             |- pci_write_config_dword(bridge, PCI_MEMORY_BASE, l)

所以，結合以上兩點可知，判斷pcibios_init()是否依賴BIOS，還要看它是否依賴BIOS在加電自檢階段的操作結果，并且i386架構下的pcibios_init()函數，確實是依賴的。

那就是說，雖然Linux內核獨立實現了一套PCI操作接口，使得Linux內核可以完全不依賴BIOS，實現任何PCI操作，不過，這只是為最終的PCI操作是否完全不依賴BIOS，提供了選擇，比如arm CPU常用于嵌入式系統，通常根本沒有BIOS，所以arm架構下實現PCI操作，必須選擇完全使用內核接口，而對于i386 CPU，可以確定加電自檢階段，有些操作必然已由BIOS完成，并且完成的沒問題時，就可以選擇仍然”依賴”BIOS（可以依賴時，不依賴白不依賴）。

搞清楚這一點很重要，要不然分析代碼時，就可能會期待在pci_init()函數中，看到根據所有PCI設備匯總信息，分配PCI地址的過程，卻看不到，有些配置也會讓人覺得”來歷不明”，還沒見到設置，內核就認為已經設置了。

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