存儲器域與PCI總線域

2.1.2PCI總線域

在x86處理器系統(tǒng)中，PCI總線域是外部設(shè)備域的重要組成部分。實際上在Intel的x86處理器系統(tǒng)中，所有的外部設(shè)備都使用PCI總線管理。而AMD的x86處理器系統(tǒng)中還存在一條HT(HyperTransport)總線，在AMD的x86處理器系統(tǒng)中還存在HT總線域。本書對HT總線不做進一步介紹。

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

在多數(shù)處理器系統(tǒng)中，分屬于兩個PCI總線域的PCI設(shè)備并不能直接進行數(shù)據(jù)交換，而需要通過FSB進行數(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HOST主橋可以支持不同PCI總線域間的數(shù)據(jù)傳送。

PowerPC處理器使用了OCeaN技術(shù)連接兩個HOST主橋，OCeaN可以將屬于x域的PCI數(shù)據(jù)請求轉(zhuǎn)發(fā)到y(tǒng)域，OCeaN支持PCI總線的Peer-to-Peer數(shù)據(jù)傳送。有關(guān)OCeaN技術(shù)的詳細說明見第2.2節(jié)。

2.1.3處理器域

處理器域是指一個處理器系統(tǒng)能夠訪問的地址空間集合。處理器系統(tǒng)能夠訪問的地址空間由存儲器域和外部設(shè)備域組成。其中存儲器域地址空間較為簡單，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總線域組成，因為大多數(shù)外部設(shè)備都是掛接在PCI總線[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總線相連。

本書僅介紹PCI總線域而不對其他外部設(shè)備域進行說明。其中存儲器域與PCI總線域之間由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，實際上這也是理解處理器體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

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

有些書籍認為HOST處理器是PCI總線域的管理者，這種說法并不精確。假設(shè)在一個SMP(symmetric multiprocessing)處理器系統(tǒng)中，存在4個CPU而只有一個HOST主橋，這4個CPU將無法判斷究竟誰是HOST處理器。不過究竟是哪個處理器作為HOST處理器并不重要，因為在一個處理器系統(tǒng)中，是HOST主橋管理PCI總線域，而不是HOST處理器。當(dāng)一個處理器系統(tǒng)中含有多個CPU時，如果這些CPU都可以訪問HOST主橋，那么這些CPU都可以作為這個HOST主橋所管理PCI總線樹的HOST處理器。

在一個處理器系統(tǒng)中，CPU所能訪問的PCI總線地址一定在存儲器域中具有地址映射；而PCI設(shè)備能訪問的存儲器域的地址也一定在PCI總線域中具有地址映射。當(dāng)CPU訪問PCI域地址空間時，首先訪問存儲器域的地址空間，然后經(jīng)過HOST主橋轉(zhuǎn)換為PCI總線域的地址，再通過PCI總線事務(wù)進行數(shù)據(jù)訪問。而當(dāng)PCI設(shè)備訪問主存儲器時，首先通過PCI總線事務(wù)訪問PCI總線域的地址空間，然后經(jīng)過HOST主橋轉(zhuǎn)換為存儲器域的地址后，再對這些空間進行數(shù)據(jù)訪問。

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

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

(1)處理器訪問PCI總線域地址空間時，首先需要訪問存儲器域的地址空間，之后通過HOST主橋?qū)⒋鎯ζ鞯刂忿D(zhuǎn)換為PCI總線地址，之后才能進入PCI總線域進行數(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總線地址空間需要在初始化時映射成為存儲器域的存儲器地址空間，之后處理器才能訪問這些地址空間。在有些處理器的HOST主橋中，具有獨立的寄存器保存這個地址映射規(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地址轉(zhuǎn)換的概念。

(2)PCI設(shè)備訪問存儲器域時，首先需要訪問PCI總線域的地址空間，之后通過HOST主橋?qū)CI總線地址轉(zhuǎn)換為存儲器地址，之后才能穿越HOST主橋進行數(shù)據(jù)交換。為此處理器需要通過HOST主橋?qū)⑦@個PCI總線地址反向映射為存儲器地址。PCI設(shè)備不能訪問在PCI總線域中沒有進行這種反向映射的存儲器域地址空間。PowerPC處理器使用Inbound寄存器組存放PCI設(shè)備所能訪問的存儲器空間，而在x86處理器中并沒有這樣的寄存器組，但是依然存在這個地址轉(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總線域的PCI設(shè)備間不能直接進行數(shù)據(jù)交換。在32位的PCI總線中，每一個PCI總線域的地址范圍都是0x0000-0000~0xFFFF-FFFF，但是這些地址沒有直接聯(lián)系。PCI總線x域上的PCI總線地址0x0000-0000與PCI總線y域上的PCI總線地址0x0000-0000并不相同，而且這兩個PCI總線地址經(jīng)過HOST主橋反向映射后，得到的存儲器地址也不相同。

本篇在第2.2節(jié)中，主要以PowerPC處理器為例說明HOST主橋的實現(xiàn)機制，并在第2.2.4節(jié)簡要說明了x86處理器中的南北橋構(gòu)架。盡管部分讀者對PowerPC處理器并不感興趣，筆者仍然強烈建議讀者仔細閱讀第2.2節(jié)的全部內(nèi)容。

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