PCIe（一） —— 基础概念与设备树
PCIe的全称是Peripheral Component Interconnect Express，是一种用于连接外设的总线。它于2003年提出来，作为替代PCI和PCI-X的方案，现在已经成了现代CPU和其他几乎所有外设交互的标准或者基石，比如，我们马上能想到的GPU，网卡，USB控制器，声卡，网卡等等，这些都是通过PCIe总线进行连接的，然后现在非常常见的基于m.2接口的SSD，也是使用NVMe协议，通过PCIe总线进行连接的，除此以外，Thunderbolt 3 [2]，USB4 [3]，甚至最新的CXL互联协议 [4]，都是基于PCIe的！
所以一旦开始往设备相关的开发上面走了之后，PCIe可以算是一个绕不过的坎。这几天看了一些和PCIe相关的资料，这里简单的总结一下，也希望对大家有所帮助。这篇文章主要会聚焦在硬件的部分，和操作系统本身没有什么太大的关系，无论是Windows还是Linux，底层的部分都是非常类似的，文章中也会提到调试的方法，不过会主要以Linux为主。
那我们就开始吧！
1. PCIe总体框图
首先，我们先从PCIe的基本概念开始。PCIe的架构主要由五个部分组成：Root Complex，PCIe Bus，Endpoint，Port and Bridge，Switch。其整体架构呈现一个树状结构，如下图所示：
2. Root Complex（RC）
Root Complex是整个PCIe设备树的根节点，CPU通过它与PCIe的总线相连，并最终连接到所有的PCIe设备上。
由于Root Complex是管理外部IO设备的，所以在早期的CPU上，Root Complex其实是放在了北桥（MCU）上 [5]，后来随着技术的发展，现在已经都集成进了CPU内部了 [8]。（注意下图的System Agent的部分，他就是PCIe Root Complex所在的位置。）
另外，虽然是根节点，但是系统里面可以存在不只一个Root Complex。随着PCIe Lane的增加，PCIe控制器和Root Complex的数量也随之增加。比如，我的台式机的CPU是i9-10980xe，上面就有4个Root Complex，而我的笔记本是i7-9750H，上面就只有一个Root Complex。我们在Windows上可以通过设备管理器来查看：
| i9-11900K | i7-9750H |
|---|---|
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Linux上也类似。下图是从我的服务器的主板说明书上截出来的框图，用的CPU是EPYC 7742，可以很明显的看到PEG P0-3，对应着4个PCIe Controller和Root Complex：[6]
而我们可以通过lspci命令来查看所有的Root Complex：
1 | $ lspci -t -v |
3. PCIe总线（Bus）
PCIe上的设备通过PCIe总线互相连接。虽然PCIe是从PCI发展而来的，并且甚至有很多地方是兼容的，但是它与老式的PCI和PCI-X有两点特别重要的不同：
- PCIe的总线并不是我们传统意义上共享线路的总线（Bus），而是一个点对点的网络，我们如果把PCI比喻成网络中的集线器（Hub），那么PCIe对应的就是交换机了。换句话说，当Root Complex或者PCIe上的设备之间需要通信的时候，它们会与对方直接连接或者通过交换电路进行点对点的信号传输。[7]
| PCI Bus | PCIe Bus |
|---|---|
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- 老式的PCI使用的是单端并行信号进行连接，但是由于干扰过大导致频率无法提升，所以后来就演变成PCIe之后就开始使用了高速串行信号。这也导致了PCI设备和PCIe设备无法兼容，只能通过PCI-PCIe桥接器来进行连接。当然这些我们都不需要再去关心了，因为现在已经很少看见PCI的设备了。
关于PCIe的通讯和包路由交换，我们先到这里，后面会更深入的介绍。
4. PCIe Device
PCIe上连接的设备可以分为两种类型：
- Type 0：它表示一个PCIe上最终端的设备，比如我们常见的显卡，声卡，网卡等等。
- Type 1：它表示一个PCIe Switch或者Root Port。和终端设备不同，它的主要作用是用来连接其他的PCIe设备，其中PCIe的Switch和网络中的交换机类似。
4.1. BDF（Bus Number, Device Number, Function Number）
PCIe上所有的设备，无论是Type 0还是Type 1，在系统启动的时候，都会被分配一个唯一的地址，它有三个部分组成：
- Bus Number：8 bits，也就是最多256条总线
- Device Number：5 bits，也就是最多32个设备
- Function Number：3 bits，也就是最多8个功能
这就是我们常说的BDF，它类似于网络中的IP地址，一般写作BB:DD.F的格式。在Linux上，我们可以通过lspci命令来查看每个设备的BDF，比如，下面这个FCH SMBus Controller就是00:14.0：
1 | $ lspci -t -v |
在我们知道了任何一个设备的BDF之后，我们就可以通过它查看到这个设备的详细信息了，如下：
1 | $ lspci -s 00:14.0 -vv |
另外，由于默认BDF的方式最多只支持8个Function，可能不够用，所以PCIe还支持另一种解析方式，叫做ARI（Alternative Routing-ID Interpretation），它将Device Number和Function Number合并为一个8bit的字段，只用于表示Function，所以最多可以支持256个Function，但是它是可选的，需要通过设备配置启用 [1]。
4.2. Type 0 Device和Endpoint
所有连接到PCIe总线上的Type 0设备（终端设备），都可以来实现PCIe的Endpoint，用来发起或者接收PCIe的请求和消息。每个设备可以实现一个或者多个Endpoint，每个Endpoint都对应着一个特定的功能。比如：
- 一块双网口的网卡，可以每个为每个网口实现一个单独的Endpoint；
- 一块显卡，其中实现了4个Endpoint：一个显卡本身的Endpoint，一个Audio Endpoint，一个USB Endpoint，一个UCSI Endpoint；
这些我们都可以通过lspci或者Windows上的设备管理器来查看：
1 | $ lspci -t -v |
4.3. RCIE（Root Complex Integrated Endpoint）
说到PCIe设备，脑海里面可能第一反应就是有一个PCIe的插槽，然后把显卡或者其他设备插在里面，就像我们上面看到的这样。但是其实系统中有大量的设备是主板上集成好了的，比如，内存控制器，集成显卡，Ethernet网卡，声卡，USB控制器等等。这些设备在连接PCIe的时候，可以直接连接到Root Complex上面。这种设备就叫做RCIE（Root Complex Integrated Endpoint），如果我们去查看的话，他们的Bus Number都是0，代表Root Complex。
4.4. Port / Bridge
那么其他的需要通过插槽连接的设备呢？这些设备就需要通过PCIe Port来连接了。
在Root Complex上，有很多的Root Port，这些Port每一个都可以连接一个PCIe设备（Type 0或者Type 1）。
本质上，所有这些连接其他设备用的部件都是由桥（Bridge）来实现的，这些桥的两端连接着两个不同的PCIe Bus（Bus Number不同）。比如，一个Root Port其实是靠两个Bridge来实现的：一个（共享的）Host Bridge（上游连接着CPU，下游连接着Bus 0）和一个PCI Bridge用来连接下游设备（上游连着的是Bus 0（Root Complex），下游连着的PCIe的设备（Bus Number在启动过程中自动分配）） [1]。
我们通过lspci命令可以看到这些桥的存在（注意设备详情中的Kernel driver in use: pcieport）：
1 | +-[0000:80]-+-00.0 Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex |
注意：是否使用PCIe Bridge和是否通过插槽连接不能直接划等号，这取决于你系统的硬件实现，比如，从上面RCIE的截图中我们可以看到USB Controller作为RCIE存在，而下面EPYC的CPU则不同，USB控制器是通过Root Port连接的，但是它在主板上并没有插槽。
2
3
4
5
6
+-[0000:40]-+-00.0 Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse Root Complex
+-03.0 Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] Starship/Matisse PCIe Dummy Host Bridge
| +-03.3-[42]----00.0 ASMedia Technology Inc. ASM1042A USB 3.0 Host Controller
# ^====== 40:03.3 here is a Bridge. And USB controller is connected
# to this Bridge with a new Bus Number 42.
4.5. Switch
如果我们需要连接不止一个设备怎么办呢？这时候就需要用到PCIe Switch了。
PCIe Switch内部主要有三个部分：
- 一个Upstream Port和Bridge：用于连接到上游的Port，比如，Root Port或者上游Switch的Downstream Port
- 一组Downstream Port和Bridge：用于连接下游的设备，比如，显卡，网卡，或者下游Switch的Upstream Port
- 一根虚拟总线：用于将上游和下游的所有端口连接起来，这样，上游的Port就可以访问下游的设备了
另外，这里再说明一次 —— 由于PCIe的信号传输是点对点的，所以Switch中间的这个总线只是一个逻辑上的虚拟的总线，其实并不存在，里面真正的结构是一套用于转发的交换电路 [9]。
最后，看到这里也许你会突然想到Root Complex是不是也可以看成是一个Switch呢？我觉得这两个概念最好还是分开，虽然从很多框图上看着确实很像，只不过Root Complex没有Upstream Port，连接上游的Host Bridge是连接到CPU上，不过Root Complex内部的功能要远比Switch复杂的多，里面不仅仅是简单的包转发，比如，后面会说到的PCIe请求的生成和转换等等。
5. 小结
好了，到这里我们已经将PCIe设备树中的主要部件都介绍完毕了。如果我们把所有这些部件连接在一起，那么其整体的结构就是这样的 [10]：
好的，为了避免文章过长，我们这一篇就先到这里，后面有时间再继续总结和PCIe相关的其他知识，比如配置空间和域，消息和消息路由等等。
6. 参考资料
- [1]: PCI Express Base Specification
- [2]: Thunderbolt™ 3 Technology Brief
- [3]: USB4™ Specification
- [4]: Compute Express Link™ (CXL™) Specification
- [5]: Intel® 3000 and 3010 Chipset Memory Controller Hub (MCH) datasheet
- [6]: H12DSi-NT6 motherboard manual
- [7]: fpga4fun - PCI Express 2 - Topology
- [8]: White Paper: Introduction to Intel® Architecture
- [9]: Crossbar Switch
- [10]: Mindshare - An Introduction to PCI Express
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