PCIe與PCI之間的區(qū)別

1. 概述

1）PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是繼ISA和PCI總線之后的第三代I/O總線。一般翻譯為周邊設(shè)備高速連接標(biāo)準(zhǔn)。

2）PCIe協(xié)議是一種端對(duì)端的互連協(xié)議，提供了高速傳輸帶寬的解決方案。目前PCIe已經(jīng)發(fā)展到第四代PCIe4.0， 每一代的發(fā)展，最明顯的特征就是速率翻倍。

3）是Intel公司1991年推出的。批準(zhǔn)組織：PCI SIG （PCI興趣小組）

4）一個(gè)x16插槽可以運(yùn)行x1、x2、x4、x8、x16的卡

2. PCIe 布線規(guī)則

從金手指邊緣到PCIe芯片管腳的走線長(zhǎng)度應(yīng)限制在4英寸（約100MM）以內(nèi)。

PCIe的PERP/N，PETP/N，PECKP/N是三個(gè)差分對(duì)線，注意保護(hù)（差分對(duì)之間的距離、差分對(duì)和所有非PCIe信號(hào)的距離是20MIL，以減少有害串?dāng)_的影響和電磁干擾（EMI）的影響。芯片及PCIe信號(hào)線反面避免高頻信號(hào)線，最好全GND）。

差分對(duì)中2條走線的長(zhǎng)度差最多5MIL。2條走線的每一部分都要求長(zhǎng)度匹配。差分線的線寬7MIL，差分對(duì)中2條走線的間距是7MIL。

當(dāng)PCIe信號(hào)對(duì)走線換層時(shí)，應(yīng)在靠近信號(hào)對(duì)過孔處放置地信號(hào)過孔，每對(duì)信號(hào)建議置1到3個(gè)地信號(hào)過孔。PCIE差分對(duì)采用25/14的過孔，并且兩個(gè)過孔必須放置的相互對(duì)稱。

PCIe需要在發(fā)射端和接收端之間交流耦合，差分對(duì)的兩個(gè)交流耦合電容必須有相同的封裝尺寸，位置要對(duì)稱且要擺放在靠近金手指這邊，電容值推薦為0.1uF。

SCL等信號(hào)線不能穿越PCIe主芯片。

3. PCIe 分類、速度

按lane（ 車道 --》 通道 ）的個(gè)數(shù)分有 x1 x2 x4 x8 x16 （最大可支持32個(gè)通道）

按代來分 有 gen1 gen2 gen3 gen4 gen5

速度：

PCIe 與 PCI 之間的區(qū)別

速度上

PCI的工作頻率分為33MHz和66MHz，最大吞吐率 266MB/s

PCIe如3中描述，PCIe 1.0 x1 的吞吐率就達(dá)到了250MB/s

傳輸方式上

PCI 是并行數(shù)據(jù)傳輸，一次傳輸4字節(jié)/8字節(jié)，半雙工

PCIe是串行數(shù)據(jù)傳輸，全雙工

硬件上

傳輸PCI信號(hào)的是普通電平

傳輸PCIe信號(hào)的是差分電平

鏈路上

PCI是總線的連接方式

PCIe是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)涫鞘裁礃拥模?/p>

PCIe的物理連接方式：

5. 編碼方式介紹

PCIe gen1 和 PCIe gen2 采用的編解碼方式是 8b/10b，PCIe gen3 和 之后的 采用的是 128b/130b 的編碼方式。

8b/10b 意思是說，當(dāng)我們要傳輸8b的數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)際在通道上傳輸?shù)氖?0b的數(shù)據(jù)，解碼的時(shí)候，我們希望得到的是8b的有效數(shù)據(jù)。這樣，相當(dāng)于有效的帶寬是實(shí)際帶寬的 80%。

同理128b/130b，是傳輸128bit數(shù)據(jù)實(shí)際線路中傳輸?shù)氖?30bit數(shù)據(jù)。

速率圖中的單位間的關(guān)系：

傳輸速率單位 GT/s，表示 千兆傳輸/秒，是實(shí)際每秒傳輸?shù)奈粩?shù)，他不包括額外吞吐量的開銷位。

兩個(gè)例子：

PCIe gen1 x1 傳輸速率 2.5GT/s = 2500MT/s = （ 2500 / 10 ） MB/s

PCIe gen3 x1 傳輸速率 8GT/s = 8000MT/s = （ 8000 / 130 ） x （ 128/8 ） MB/s= 984.6153.。. MB/s

6. inbound 和 outbound

在PCIe設(shè)備和系統(tǒng)內(nèi)存互相訪問時(shí)，outbound是指CPU到設(shè)備方向；inbound指Device--》 RC（CPU端）方向。從這個(gè)概念上說，設(shè)備（device）都是外部的，沒有內(nèi)部設(shè)備之說。CPU讀寫RC 端的寄存器時(shí)，還是屬于片上系統(tǒng)的范圍，所以既不是inbound 也不是outbound。

7. PCI 配置空間

PCI設(shè)備擁有256B的配置空間，PCIe還提供另外4KB的擴(kuò)展，這256B的配置空間中前64B是規(guī)范了的，其他的字節(jié)是各個(gè)廠商自己定義的。

7.1 PCI 設(shè)備的地址組成

① 總線號(hào) --- 廠家ID

② 設(shè)備號(hào) --- 設(shè)備ID

③ 功能號(hào) --- 設(shè)備類

查看PCI設(shè)備的工具是 lspci

使用工具 lspci 查找 ①②③

》lspci

上邊輸出的每行開頭邏輯地址（XX:YY.Z）分別表示①②③，

其中一個(gè)PCI域能容納 256 個(gè)總線，

每個(gè)總線可以支持 32 個(gè)PCI設(shè)備，

每個(gè)PCI設(shè)備可容納 8 個(gè)PCI功能

》 lspci -t （以樹狀結(jié)構(gòu)顯示）

》 lspci -x （打印出配置空間前64字節(jié)的內(nèi)容）

》 lspci -s （指定哪個(gè)）

挑選一個(gè) VGA compatible controller，如下

》 lspci -s 01:00.0 -vxx

字節(jié)序是小端格式，

［ 0 - 1 ］ 表示的是廠家 ID，上圖的是 0x10de

［ 2 - 3 ］ 表示的是設(shè)備 ID，上圖的是 0x0659

［ 9 - 11 ］ 表示的是設(shè)備類型代碼，上圖的是 0x030000

［14］表示的是設(shè)備類型，00表示普通端點(diǎn)設(shè)備；01表示Bridge設(shè)備；02表示CardBus bridges

使用命令查詢PCI設(shè)備的廠商號(hào)和設(shè)備號(hào)

》 lspci -n -s 01:00.0

列出格式 【設(shè)備類型：廠商ID：設(shè)備ID】

設(shè)備類型介紹：

設(shè)備類型可以在 http://pci-ids.ucw.cz/read/PD 網(wǎng)站進(jìn)行查詢，包括 classes、subclasses、Program interfaces 三部分，上圖中的設(shè)備類型是 030000依次對(duì)應(yīng)下圖，03是 Device classes，00是Device subclasses，00是Program interfaces

7.2 基地址/BAR

BAR0： 0XF6000000

BAR1： 0XC000000C

。..。

BAR5:0X0000E001

有6個(gè)BAR空間，每個(gè)BAR記錄了該設(shè)備映射的一段地址空間，為了區(qū)分 IO空間和 IO內(nèi)存，分開描述如下：

當(dāng)BAR的最后一位為0，如下圖，表示這是映射的IO內(nèi)存，1-2位表示內(nèi)存的類型，00=任意32位地址，01=少于1M，10=任意64位地址，11保留。bit1為1表示區(qū)間大小超過1M，為0表示不超過1M。bit3表示是否支持可預(yù)取。

如上例子中，BAR0是 映射的IO內(nèi)存，32位地址，不超過1M，不支持預(yù)取。

BAR1（最后幾位0110）也是映射的IO內(nèi)存，64位地址，區(qū)間大小超過1M，不支持預(yù)取。

當(dāng)BAR的最后一位為1，如下圖，表示這是映射的IO地址空間。上邊例子中的BAR5（最后一位是1）是映射的是IO地址空間，基地址是 0x0000e

中斷

由配置空間的IRQ Pin決定是否支持中斷，1表示支持，0表示不支持，加入支持，IRQ Line是中斷號(hào)。

上邊的例子中支持中斷號(hào)，中斷號(hào)是0x0b

訪問PCI

PCI設(shè)備包含3個(gè)尋址空間：配置空間、I/O端口 和 設(shè)備內(nèi)存。

驅(qū)動(dòng)中操作 PCI 的配置區(qū)（上邊討論的64B的空間）

pci_read_config_［byte|word|dword］（struct pci_dev *pdev， int offset， int *value）;

pci_write_config_［byte|word|dword］（struct pci_dev *pdev， int offset， int value）;

offset， 想訪問的配置空間中字節(jié)位置

value， 對(duì)read函數(shù)來說，用于存放讀回來的數(shù)據(jù)

對(duì)write函數(shù)來說，是要寫進(jìn)去的值（這個(gè)int.。..。）

驅(qū)動(dòng)中操作 I/O和內(nèi)存

I/O區(qū)域包含寄存器，內(nèi)存區(qū)域存放數(shù)據(jù)。

驅(qū)動(dòng)中操作 PCI 的I/O和內(nèi)存

unsigned long pci_resource = pci_resource_［start|len|end|flags］ （struct pci_dev *pdev， int bar）;

start， 區(qū)域的基地址

bar， 取值 0 - 5

8. PCIe 的配置空間

PCI的配置空間是256字節(jié)，即 0x00~0xFF，而PCIe的配置空間是4k字節(jié)，即 0x00~0xFFF。

PCIe 一共支持 256條bus，32個(gè)dev，8個(gè)fun。同PCI是一樣的。共需要內(nèi)存大小= 4k * 256 *32*8 = 256K Bytes = 256M，這個(gè)256M的內(nèi)存空間是為PCIe設(shè)備準(zhǔn)備的空間系統(tǒng)不可用。

PCIe設(shè)備發(fā)展向前兼容PCI，每個(gè)設(shè)備的配置空間的前256個(gè)Byte是PCI空間，后（4k-256）個(gè)Byte的空間是PCIe擴(kuò)展空間

Root和Switch的每一個(gè)端口中都包含一個(gè)P2P橋，橋的配置空間是Type1型

每個(gè)Type1型的Header中都包含最后一級(jí)總線號(hào)（Subordinate Bus Number）、下一級(jí)總線號(hào)（Secondary Bus Number）和上一級(jí)總線號(hào)（Primary Bus Number）等信息。當(dāng)配置請(qǐng)求進(jìn)行BDF路由的時(shí)候，正是依靠這些信息來確定要找的設(shè)備的。

9. PCIe 屬性

服務(wù)質(zhì)量（Qos）

決斷振幅和帶寬

10. FAQ

TLP 和 DLLP 是什么？

TCP 是 事務(wù)層包的簡(jiǎn)寫，結(jié)構(gòu)下圖

Capability是什么？

Capability是device通過在4k Byte的Configuration Space里告訴host它支持哪些特性的，而Capability又大致分為基本的Capability與之后擴(kuò)展的Capability，在使用4K的配置空間時(shí)兩者大同小異，都是采用鏈表形式來自定義Capability的位置的，唯一的區(qū)別是后者種類多，且不同廠商所支持的Capability有很大區(qū)別。如下圖為Configuration Space的基本架構(gòu)——0-3Fh（PCI Head域），40h-FFh（基本Capability區(qū)域），100-FFF（擴(kuò)展Capability區(qū)域）。

基本的Capability

Capability point是在0-3Fh（PCI Head域），偏移為34h，用于存放第一個(gè)Capability的偏移量，偏移量的范圍是40h-FFh（基本Capability區(qū)域），這段區(qū)間可任意讓你分配各種基本Capability。

擴(kuò)展的Capability

第一個(gè)擴(kuò)展Capability默認(rèn)就從100h的偏移位置開始放置，而不是像基本的Capability那樣從34h通過指針指過來。

PCI總線空間與處理器空間隔離

PCI設(shè)備具有獨(dú)立的地址空間，即PCI總線地址空間，該空間與存儲(chǔ)器地址空間通過HOST主橋隔離。處理器需要通過HOST主橋才能訪問PCI設(shè)備，而PCI設(shè)備需要通過HOST主橋才能訪問主存儲(chǔ)器。

處理器訪問PCI設(shè)備時(shí)，必須通過HOST主橋進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，反過來也是。HOST主橋的一個(gè)重要作用就是將處理器訪問的存儲(chǔ)器地址轉(zhuǎn)換成PCI總線地址。

原文標(biāo)題：FPGA學(xué)習(xí)-PCIe基礎(chǔ)知識(shí)

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