存儲(chǔ)器域與PCI總線(xiàn)域

2.1.2PCI總線(xiàn)域

在x86處理器系統(tǒng)中，PCI總線(xiàn)域是外部設(shè)備域的重要組成部分。實(shí)際上在Intel的x86處理器系統(tǒng)中，所有的外部設(shè)備都使用PCI總線(xiàn)管理。而AMD的x86處理器系統(tǒng)中還存在一條HT(HyperTransport)總線(xiàn)，在A(yíng)MD的x86處理器系統(tǒng)中還存在HT總線(xiàn)域。本書(shū)對(duì)HT總線(xiàn)不做進(jìn)一步介紹。

PCI總線(xiàn)域(PCI Segment)由PCI設(shè)備所能直接訪(fǎng)問(wèn)的地址空間組成。在一個(gè)處理器系統(tǒng)中，可能存在多個(gè)HOST主橋，因此也存在多個(gè)PCI總線(xiàn)域。如在圖2?1所示的處理器系統(tǒng)中，具有兩個(gè)HOST主橋，因而在這個(gè)處理器系統(tǒng)中存在PCI總線(xiàn)x和y域。

在多數(shù)處理器系統(tǒng)中，分屬于兩個(gè)PCI總線(xiàn)域的PCI設(shè)備并不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而需要通過(guò)FSB進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。值得注意的是，如果某些處理器的HOST主橋支持Peer-to-Peer數(shù)據(jù)傳送，那么這個(gè)HOST主橋可以支持不同PCI總線(xiàn)域間的數(shù)據(jù)傳送。

PowerPC處理器使用了OCeaN技術(shù)連接兩個(gè)HOST主橋，OCeaN可以將屬于x域的PCI數(shù)據(jù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到y(tǒng)域，OCeaN支持PCI總線(xiàn)的Peer-to-Peer數(shù)據(jù)傳送。有關(guān)OCeaN技術(shù)的詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)第2.2節(jié)。

2.1.3處理器域

處理器域是指一個(gè)處理器系統(tǒng)能夠訪(fǎng)問(wèn)的地址空間集合。處理器系統(tǒng)能夠訪(fǎng)問(wèn)的地址空間由存儲(chǔ)器域和外部設(shè)備域組成。其中存儲(chǔ)器域地址空間較為簡(jiǎn)單，而在不同的處理器系統(tǒng)中，外部設(shè)備域的組成結(jié)構(gòu)并不相同。如在x86處理器系統(tǒng)中，外部設(shè)備域主要由PCI總線(xiàn)域組成，因?yàn)榇蠖鄶?shù)外部設(shè)備都是掛接在PCI總線(xiàn)[4]上的，而在PowerPC處理器和其他處理器系統(tǒng)中，有相當(dāng)多的設(shè)備與FSB直接相連，而不與PCI總線(xiàn)相連。

本書(shū)僅介紹PCI總線(xiàn)域而不對(duì)其他外部設(shè)備域進(jìn)行說(shuō)明。其中存儲(chǔ)器域與PCI總線(xiàn)域之間由HOST主橋聯(lián)系在一起。深入理解這些域的關(guān)系是深入理解PCI體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在，實(shí)際上這也是理解處理器體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

通過(guò)HOST主橋，處理器系統(tǒng)可以將處理器域劃分為存儲(chǔ)器域與PCI總線(xiàn)域。其中存儲(chǔ)器域與PCI總線(xiàn)域，彼此獨(dú)立，并通過(guò)HOST主橋進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。HOST主橋是聯(lián)系存儲(chǔ)器域與PCI總線(xiàn)域的橋梁，是PCI總線(xiàn)域?qū)嶋H的管理者。

有些書(shū)籍認(rèn)為HOST處理器是PCI總線(xiàn)域的管理者，這種說(shuō)法并不精確。假設(shè)在一個(gè)SMP(symmetric multiprocessing)處理器系統(tǒng)中，存在4個(gè)CPU而只有一個(gè)HOST主橋，這4個(gè)CPU將無(wú)法判斷究竟誰(shuí)是HOST處理器。不過(guò)究竟是哪個(gè)處理器作為HOST處理器并不重要，因?yàn)樵谝粋€(gè)處理器系統(tǒng)中，是HOST主橋管理PCI總線(xiàn)域，而不是HOST處理器。當(dāng)一個(gè)處理器系統(tǒng)中含有多個(gè)CPU時(shí)，如果這些CPU都可以訪(fǎng)問(wèn)HOST主橋，那么這些CPU都可以作為這個(gè)HOST主橋所管理PCI總線(xiàn)樹(shù)的HOST處理器。

在一個(gè)處理器系統(tǒng)中，CPU所能訪(fǎng)問(wèn)的PCI總線(xiàn)地址一定在存儲(chǔ)器域中具有地址映射；而PCI設(shè)備能訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器域的地址也一定在PCI總線(xiàn)域中具有地址映射。當(dāng)CPU訪(fǎng)問(wèn)PCI域地址空間時(shí)，首先訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器域的地址空間，然后經(jīng)過(guò)HOST主橋轉(zhuǎn)換為PCI總線(xiàn)域的地址，再通過(guò)PCI總線(xiàn)事務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。而當(dāng)PCI設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)主存儲(chǔ)器時(shí)，首先通過(guò)PCI總線(xiàn)事務(wù)訪(fǎng)問(wèn)PCI總線(xiàn)域的地址空間，然后經(jīng)過(guò)HOST主橋轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)器域的地址后，再對(duì)這些空間進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。

由此可見(jiàn)，存儲(chǔ)器域與PCI總線(xiàn)域的轉(zhuǎn)換關(guān)系由HOST主橋統(tǒng)一進(jìn)行管理。有些處理器提供了一些寄存器進(jìn)行這種地址映射，如PowerPC處理器使用Inbound和Outbound寄存器組保存存儲(chǔ)器域與PCI總線(xiàn)域的地址映射關(guān)系；而有些處理器并沒(méi)有提供這些寄存器，但是存儲(chǔ)器域到PCI總線(xiàn)域的轉(zhuǎn)換關(guān)系依然存在。

HOST主橋進(jìn)行不同地址域間的數(shù)據(jù)交換時(shí)，需要遵循以下規(guī)則。為區(qū)別存儲(chǔ)器域到PCI總線(xiàn)域的地址映射，下文將PCI總線(xiàn)域到存儲(chǔ)器域的地址映射稱(chēng)為反向映射。

(1)處理器訪(fǎng)問(wèn)PCI總線(xiàn)域地址空間時(shí)，首先需要訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器域的地址空間，之后通過(guò)HOST主橋?qū)⒋鎯?chǔ)器地址轉(zhuǎn)換為PCI總線(xiàn)地址，之后才能進(jìn)入PCI總線(xiàn)域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PCI設(shè)備使用的地址空間保存在各自的PCI配置寄存器中，即BAR寄存器中。這些PCI總線(xiàn)地址空間需要在初始化時(shí)映射成為存儲(chǔ)器域的存儲(chǔ)器地址空間，之后處理器才能訪(fǎng)問(wèn)這些地址空間。在有些處理器的HOST主橋中，具有獨(dú)立的寄存器保存這個(gè)地址映射規(guī)則，如PowerPC處理器的Outbound寄存器組；而有些處理器，如在x86處理器中，雖然沒(méi)有這樣的寄存器組，但是在HOST主橋的硬件邏輯中仍然存在這個(gè)地址轉(zhuǎn)換的概念。

(2)PCI設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器域時(shí)，首先需要訪(fǎng)問(wèn)PCI總線(xiàn)域的地址空間，之后通過(guò)HOST主橋?qū)CI總線(xiàn)地址轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)器地址，之后才能穿越HOST主橋進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為此處理器需要通過(guò)HOST主橋?qū)⑦@個(gè)PCI總線(xiàn)地址反向映射為存儲(chǔ)器地址。PCI設(shè)備不能訪(fǎng)問(wèn)在PCI總線(xiàn)域中沒(méi)有進(jìn)行這種反向映射的存儲(chǔ)器域地址空間。PowerPC處理器使用Inbound寄存器組存放PCI設(shè)備所能訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器空間，而在x86處理器中并沒(méi)有這樣的寄存器組，但是依然存在這個(gè)地址轉(zhuǎn)換的概念。

(3)如果HOST主橋不支持Peer-to-Peer傳送方式，那么分屬不同PCI總線(xiàn)域的PCI設(shè)備間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在32位的PCI總線(xiàn)中，每一個(gè)PCI總線(xiàn)域的地址范圍都是0x0000-0000~0xFFFF-FFFF，但是這些地址沒(méi)有直接聯(lián)系。PCI總線(xiàn)x域上的PCI總線(xiàn)地址0x0000-0000與PCI總線(xiàn)y域上的PCI總線(xiàn)地址0x0000-0000并不相同，而且這兩個(gè)PCI總線(xiàn)地址經(jīng)過(guò)HOST主橋反向映射后，得到的存儲(chǔ)器地址也不相同。

本篇在第2.2節(jié)中，主要以PowerPC處理器為例說(shuō)明HOST主橋的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，并在第2.2.4節(jié)簡(jiǎn)要說(shuō)明了x86處理器中的南北橋構(gòu)架。盡管部分讀者對(duì)PowerPC處理器并不感興趣，筆者仍然強(qiáng)烈建議讀者仔細(xì)閱讀第2.2節(jié)的全部?jī)?nèi)容。

在PowerPC處理器中，HOST主橋的實(shí)現(xiàn)比較完整，尤其是PCI總線(xiàn)域與存儲(chǔ)器域的映射關(guān)系比較明晰，便于讀者準(zhǔn)確掌握這個(gè)重要的概念。而x86處理器由于考慮向前兼容，設(shè)計(jì)中包含了太多的不得已，x86處理器有時(shí)不得不保留原設(shè)計(jì)中的不完美，向前兼容是Intel的重要成就，也是一個(gè)沉重的十字架。