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" 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(shù)情況下避免了復雜的驅(qū)動程序開發(fā)。
關鍵詞: PCI總線? 配置空間? 操作系統(tǒng)
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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(jīng)成為計算機擴展總線的主流。目前,國內(nèi)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(qū)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(nèi)容,即可得到操作系統(tǒng)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(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(nèi)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(qū)動來區(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首區(qū),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(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" 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(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10h～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(nèi)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(nèi)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(tǒng)CPU只有內(nèi)存和I/O兩種空間,沒有專門的配置空間,PCI 協(xié)議規(guī)定利用特定的I/O空間操作驅(qū)動PCI橋路" title="橋路">橋路轉(zhuǎn)換成配置空間的操作。目前存在兩種轉(zhuǎn)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" 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(zhuǎn)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。
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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?qū)懖僮?其地址由PCI橋路根據(jù)配置空間地址寄存器的內(nèi)容作如圖2所示的轉(zhuǎn)換。
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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64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。其中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(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(diào)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換得到相應的線性地址才能對該內(nèi)存空間進行直接讀寫。介紹該轉(zhuǎn)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(qū)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。
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參考文獻
1劉顯慶,劉仁普. 微機總線規(guī)范. 北京:機械工業(yè)出版社,1995
2 Tom Shanley&Don Anderson.? PCI System Architecture.?MINDSHARE.INC， 1999