.2 HOST主桥(2)

3 使用Outbound寄存器访问PCI总线地址空间 MPC8548处理器使用Outbound寄存器组访问PCI总线地址空间的步骤如下。 (1) 首先MPC8548处理器需要将程序使用的32位有效地址EA (Effective Address)转换为41位的虚拟地址VA (Virtual Address)。E500 V2内核不能关闭MM

3 使用Outbound寄存器访问PCI总线地址空间

MPC8548处理器使用Outbound寄存器组访问PCI总线地址空间的步骤如下。

(1) 首先MPC8548处理器需要将程序使用的32位有效地址EA (Effective Address)转换为41位的虚拟地址VA (Virtual Address)。E500 V2内核不能关闭MMU(Memory Management Unit)，因此不能直接访问物理地址。

(2) MPC8548处理器通过MMU将41位的虚拟地址转换为36位的物理地址。在E500 V2内核中，物理地址是36位(缺省是32位，需要使能)。

(3) 检查LAWBAR和LAWAR寄存器，判断当前36位的物理地址是否属于PCI总线空间。在MPC8548中定义了一组LAWBAR和LAWAR寄存器对，每一对寄存器描述当前物理空间是与PCI总线、PCIe总线、DDR还是RapidIO空间对应。该组寄存器的详细说明见MPC8548 PowerQUICC III? Integrated Host Processor Family Reference Manual。如果CPU访问的空间为PCI总线空间，则执行第(4)步，否则处理器将不会访问PCI地址空间。

(4) 判断当前36位物理地址是否在POWBARn寄存器1~4描述的窗口中，如果在则将36位的处理器物理地址通过寄存器POTARn和POTEARn转换为64位的PCI总线地址，然后HOST主桥将来自处理器的读写请求发送到PCI总线上；如果不在POWBARn寄存器1~4描述的窗口中，POWBAR0寄存器作为缺省窗口，接管这个存储器访问，并使用寄存器POTAR0和POTEAR0，将处理器物理地址转换为PCI总线地址，当然在正常设计中很少出现这种情况。

许多系统软件，将Outbound窗口两边的寄存器使用“直接相等”的方法进行映射，将存储器域的地址与PCI总线地址设为相同的值。但是系统软件程序员务必注意这个存储器地址与PCI总线地址是分属于存储器域与PCI总线域的，这两个值虽然相等，但是所代表的地址并不相同，一个属于存储器域，而另一个属于PCI总线域。

2.2.3 PCI总线域地址空间到存储器域地址空间的转换

MPC8548处理器使用Inbound寄存器组将PCI总线域地址转换为存储器域的地址。PCI设备进行DMA读写时，只有访问的地址在Inbound窗口中时，HOST主桥才能接收这些读写请求，并将其转发到存储器控制器。MPC8548处理器提供了3组Inbound寄存器，即提供3个Inbound寄存器窗口，实现PCI总线地址到存储器地址的反向映射。

从PCI设备的角度上看，PCI设备访问存储器域的地址空间时，首先需要通过Inbound窗口将PCI总线地址转换为存储器域的地址；而从处理器的角度上看，处理器必须要将存储器地址通过Inbound寄存器组反向映射为PCI总线地址空间，才能被PCI设备访问。

PCI设备只能使用PCI总线地址访问PCI总线域的地址空间。HOST主桥将这段地址空间通过Inbound窗口转换为存储器域的地址之后，PCI设备才能访问存储器域地址空间。这个地址转换过程如图2?5所示。

在介绍MPC8548处理器如何使用Inbound寄存器组进行PCI总线域地址空间到存储器域地址空间的转换之前，我们首先简要介绍Inbound寄存器组中的相应寄存器。该组寄存器的地址偏移、属性和复位值如表2?3所示。

表2?3 PCI/X ATMU Inbound寄存器组

Offset	寄存器名	属性	复位值
0x0_8DA0/C0/E0	PITARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8DA8/C8/E8	PIWBARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8DAC/CC	PIWBEARn	可读写	0x0000-0000
0x0_8DB0/D0/F0	PIWARn	可读写	0x0000-0000

值得注意的是，Inbound寄存器组除了可以进行PCI总线地址空间到存储器域地址空间的转换之外，还可以转换分属不同PCI总线域的地址空间，以支持PCI总线的Peer-to-Peer数据传送方式。

1 PITARn寄存器

PITARn寄存器保存当前Inbound窗口在存储器域中的36位地址空间的基地址，其地址窗口的大小至少为4KB，因此在该寄存器中仅存放存储器域地址的第0~23位，该寄存器的其主要字段如下所示。

• TEA字段存放存储器地址空间的第0~3位。
• TA字段存放存储器地址空间的第4~23位。

2 PIWBARn和PIWBEARn寄存器

• PIWBARn和PIWBEARn寄存器保存当前Inbound窗口在PCI总线域中的64位地址空间的基地址的第63~12位，Inbound窗口使用的最小地址空间为4KB，因此在这两个寄存器中不含有PCI总线地址空间的第11~0位。这两个寄存器的主要字段如下所示。
• PIWBARn寄存器的BEA字段存放PCI总线地址空间的第43~32位。
• PIWBARn寄存器的BA字段存放PCI总线地址空间的第31~12位。
• PIWBEARn寄存器的BEA字段存放PCI总线地址空间的第63~44位。

3 PIWARn寄存器

PIWARn寄存器描述当前Inbound窗口的属性，该寄存器由以下位和字段组成。

• EN位，第0位。该位是Inbound窗口的使能位，为1表示当前Inbound寄存器组描述的存储器地址空间到PCI总线地址空间的映射关系有效；为0表示无效。
• PF位，第2位。该位为1表示当前Inbound窗口描述的存储区域支持预读；为0表示不支持预读。
• TGI字段，第8~11位。该字段为0b0010表示当前Inbound窗口描述的存储区域属于PCIe总线域地址空间；为0b1100表示当前Inbound窗口描述的存储区域属于RapidIO总线域地址空间。该字段对于OCeaN实现不同域间的报文转发非常重要，如果当前Inbound窗口的TGI字段为0b0010，此时PCI总线上的设备可以使用该Inbound窗口，通过OCeaN直接读取PCIe总线的地址空间，而不需要经过SoC平台总线。如果TGI字段为0b1111表示Inbound窗口描述的存储器区域属于主存储器地址空间，这也是最常用的方式。使用该字段可以实现HOST主桥的Peer-to-Peer数据传送方式。
• RTT字段和WTT字段，分别为该寄存器的第12~15位和第16~19位。Inbound窗口的RTT/WTT字段的含义与Outbound窗口的RTT/WTT字段基本类似。只是在Inbound窗口中可以规定PCI设备访问主存储器时，是否需要进行Cache一致性操作(Cache Lock and Allocate)，在进行DMA写操作时，数据是否可以直接进入到Cache中。该字段是PowerPC处理器对PCI总线规范的有效补充，由于该字段的存在，PowerPC处理器的PCI设备可以将数据直接写入Cache，也可以视情况决定DMA操作是否需要进行Cache共享一致性操作。
• IWS字段，第26~31位。该字段描述当前窗口的大小，Inbound窗口的大小在4KB~16GB之间，其值为2IWS+1。

4 使用Inbound寄存器组进行DMA操作

PCI设备使用DMA操作访问主存储器空间，或者访问其他PCI总线域地址空间时，需要通过Inbound窗口，其步骤如下。

(1) PCI设备在访问主存储器空间时，将首先检查当前PCI总线地址是否在PIWBARn和PIWBEARn寄存器描述的窗口中。如果在这个窗口中，则将这个PCI总线地址通过PITARn寄存器转换为存储器域的地址或者其他PCI总线域的地址；如果不在将禁止本次访问。

(2) 如果PCI设备访问的是存储器地址空间，HOST主桥将来自PCI总线的读写请求发送到存储器空间，进行存储器读写操作，并根据Inbound寄存器组的RTT/WTT位决定是否需要进行Cache一致性操作，或者将数据直接写入到Cache中。

结合Outbound寄存器组，可以发现PCI总线地址空间与存储器地址空间是有一定联系的。如果存储器域地址空间被Inbound寄存器组反向映射到PCI空间，这个存储器地址具有两个地址，一个是在存储器域的地址，一个是在PCI总线域的地址；同理PCI总线空间的地址如果使用Outbound寄存器映射到寄存器地址空间，这个PCI总线地址也具有两个地址，一个是在PCI总线域的地址，一个是在存储器域的地址。

能够被处理器和PCI总线同时访问的地址空间，一定在PCI总线域和存储器域中都存在地址映射。再次强调，绝大多数操作系统将同一个空间的PCI总线域地址和存储器地址设为相同的值，但是这两个相同的值所代表的含义不同。

由此可以看出，如果MPC8548处理器的某段存储器区域没有在Inbound窗口中定义时，PCI设备将不能使用DMA机制访问这段存储器空间；同理如果PCI设备的空间不在Outbound窗口，HOST处理器也不能访问这段PCI地址空间。

在绝大多数PowerPC处理器系统中，PCI设备地址空间都在HOST主桥的Outbound窗口中建立了映射；而MPC8548处理器可以选择将哪些主存储器空间共享给PCI设备，从而对主存储器空间进行保护。

2.2.4 x86处理器的HOST主桥

x86处理器使用南北桥结构连接CPU和PCI设备。其中北桥(North Bridge)连接快速设备，如显卡、和内存条，并推出PCI总线，HOST主桥包含在北桥中。而南桥(South Bridge)连接慢速设备。x86处理器使用的南北桥结构如图2?6所示。

Intel使用南北桥概念统一PC架构。但是从体系结构的角度上看，南北桥架构并不重要，北桥中存放的主要部件不过是存储器控制器、显卡控制器和HOST主桥而已，而南桥存放的是一些慢速设备，如ISA总线和中断控制器等。

不同的处理器系统集成这些组成部件的方式并不相同，如PowerPC、MIPS和ARM处理器系统通常将CPU和主要外部设备都集成到一颗芯片中，组成一颗基于SoC架构的处理器系统。这些集成方式并不重要，每一个处理器系统都有其针对的应用领域，不同应用领域的需求对处理器系统的集成方式有较大的影响。Intel采用的南北桥架构针对x86处理器的应用领域而设计，并不能说采用这种结构一定比MPC8548处理器中即含有HOST-to-PCI主桥也含有HOST-to-PCIe主桥更为合理。

在许多嵌入式处理器系统中，即含有PCI设备也含有PCIe设备，为此MPC8548处理器同时提供了PCI总线和PCIe总线接口，在这个处理器系统中，PCI设备可以与PCI总线直接相连，而PCIe设备可以与PCIe总线直接相连，因此并不需要使用PCIe桥扩展PCI总线，从而在一定程度上简化了嵌入式系统的设计。

嵌入式系统所面对的应用千姿百态，进行芯片设计时所要考虑的因素相对较多，因而在某种程度上为设计带来了一些难度。而x86处理器系统所面对的应用领域针对个人PC**务器，向前兼容和通用性显得更加重要。在多数情况下，一个通用处理器系统的设计难过专用处理器系统的设计，Intel为此付出了极大的代价。

在一些相对较老的北桥中，如Intel 440系列芯片组中包含了HOST主桥，从系统软件的角度上看HOST-to-PCI主桥实现的功能与HOST-to-PCIe主桥实现的功能相近。本节仅简单介绍Intel的HOST-to-PCI主桥如何产生PCI的配置周期，有关Intel HOST-to-PCIe主桥[9]的详细信息参见第5章。

x86处理器定义了两个I/O端口寄存器，分别为CONFIG_ADDRESS和CONFIG_DATA寄存器，其地址为0xCF8和0xCFC。x86处理器使用这两个I/O端口访问PCI设备的配置空间。PCI总线规范也以这个两个寄存器为例，说明处理器如何访问PCI设备的配置空间。其中CONFIG_ADDRESS寄存器存放PCI设备的ID号，而CONFIG_DATA寄存器存放进行配置读写的数据。

CONFIG_ADDRESS寄存器与PowerPC处理器中的CFG_ADDR寄存器的使用方法类似，而CONFIG_DATA寄存器与PowerPC处理器中的CFG_DATA寄存器的使用方法类似。CONFIG_ADDRESS寄存器的结构如图2?7所示。

CONFIG_ADDRESS寄存器的各个字段和位的说明如下所示，

• Enable位，第31位。该位为1时，对CONFIG_DATA寄存器进行读写时将引发PCI总线的配置周期。
• Bus Number字段，第23~16位，记录PCI设备的总线号。
• Device Number字段，第15~11位，记录PCI设备的设备号。
• Function Number字段，第10~8位，记录PCI设备的功能号。
• Register Number字段，第7~2位，记录PCI设备的寄存器号。

当x86处理器对CONFIG_DATA寄存器进行I/O读写访问，且CONFIG_ADDR寄存器的Enable位为1时，HOST主桥将这个I/O读写访问转换为PCI配置读写总线事务，然后发送到PCI总线上，PCI总线根据保存在CONFIG_ADDR寄存器中的ID号，将PCI配置读写请求发送到指定PCI设备的指定配置寄存器中。

x86处理器使用小端地址模式，因此从CONFIG_DATA寄存器中读出的数据不需要进行模式转换，这点和PowerPC处理器不同，此外x86处理器的HOST主桥也实现了存储器域到PCI总线域的地址转换，但是这个概念在x86处理器中并不明晰。

本书将在第5章以HOST-to-PCIe主桥为例，详细介绍Intel处理器的存储器地址与PCI总线地址的转换关系，而在本节不对x86处理器的HOST主桥做进一步说明。x86处理器系统的升级速度较快，目前在x86的处理器体系结构中，已很难发现HOST主桥的身影。

目前Intel对南北桥架构进行了升级，其中北桥被升级为MCH(Memory Controller Hub)，而南桥被升级为ICH(I/O Controller Hub)。x86处理器系统在MCH中集成了存储器控制器、显卡芯片和HOST-to-PCIe主桥，并通过Hub Link与ICH相连；而在ICH中集成了一些相对低速总线接口，如AC’97、LPC(Low Pin Count)、IDE和USB总线，当然也包括一些低带宽的PCIe总线接口。

在Intel最新的Nehelem[10]处理器系统中，MCH被一份为二，存储器控制器和图形控制器已经与CPU内核集成在一个Die中，而MCH剩余的部分与ICH合并成为PCH(Peripheral Controller Hub)。但是从体系结构的角度上看，这些升级与整合并不重要。

目前Intel在Menlow[11]平台基础上，计划推出基于SoC架构的x86处理器，以进军手持设备市场。在基于SoC构架的x86处理器中将逐渐淡化Chipset的概念，其拓扑结构与典型的SoC处理器，如ARM和PowerPC处理器，较为类似。

[8]WBA字段并没有保存存储器域的第24~35位地址，因为Outbound窗口大小至少为4KB。

[9]这个HOST-to-PCIe主桥也是RC(Root Complex)的一部分。

[10] Nehelem处理器也被称为Core i7处理器。

[11] Menlow平台于2008年3月发布，其目标应用为MID(Mobile Internet Device)设备。Menlow平台基于低功耗处理器内核Atom。