试想一下，公司让你在2023年1月1日开始负责A镇的物流运输。于是你修建了马路，购买了运输车辆，1月1日早晨8点，雇佣的快递员都上班了，此时，作为RC，你需要开始指挥整个运输事业了。

本系列和PCIE协议及相关文档的一个很大的不同点是，我想用最快速通俗的方式让您理解PCIE到底在干什么。按照普通的PCIE介绍文档的排序，第五章要介绍物理层PHY在干什么，或者链路层的状态机LTSSM，但是我们先假定这些功能都是完好的，即port和port之间可以正常通信了，我们本章关注更高层，更全局性的问题。

先看看我们现在有了什么：

OK，对于拥有了这些组件的人，你迫切希望开始运输事业。那么，还缺少什么？？我认为是更高的抽象层级的架构：

好，我们慢慢来，先重温下概念：

device(endpoint)和function

之前我们说过，PCIE中一个device(EP)中有一个或多个function，如下图，连在bus3上的 device0就有2个function。

重点：每个function，都有独立的一套PCIE configuration space。

这里的配置空间的意义，就是每个function的身份证+简历，其中部分项是device的function天生自带的，比如生日，籍贯；而部分项让是RC后天赋予的，比如现居地，职称。

每个function的配置空间，大小是4KB，分为2个部分，256byte（64DW）的PCI-Compatible space和3840KB(960DW) PCIE高级功能区。可以说前一个部分是基本功能，后一部分是PCIE加入的一些高级功能。下图中16DW+48DW为PCI-Compatible space，下面960DW为PCIE ehhanced space。

注意PCI Header的格式是统一的，但是下面的PCI capability reg sets和Express extended config space每个function可以不一样。这里我的记忆点就是，每个function就像一个独立的个人，有自己的简历，简历有统一的格式，前面一部分PCI Header是个人基本信息，后面一部分是项目经历，项目经历部分不同人不一样，有的人有1段，有的人有5段。

如果你设计了一个device芯片，这个芯片有N个function，那么芯片内部必然需要有N*4KB个寄存器(或者同等sram)，用来实现配置空间。

我们之前介绍过，RC通过config TLP来读写配置空间，在这里补充下，只有RC才能这样，反过来，EP不能config RC或者其他EP。

我们之前还介绍过，config TLP的路由方式是ID路由，并且该TLP在从RC出来时时TYPE1的，一直到对应的Device才变成Type0的，下图很直观，这个TYPE1/TYPE0转换的存在意义，就理解因为老式PCI结构的原因吧，其实对于PCIE结构来说，已经没什么意义。

我们来看下，下图就是config read tlp的格式。可以看到最下方Bus numb/device numb/Function numb就是为了路由用的，而register number是为了配置具体的项，单位是byte，比如register number[7:0] = 16, 那么配置的项是第16byte（4DW），Base address0。

OK，知道了这个配置空间是什么，以及如何被RC配置的，我们下面深入下细节。因为很很多时候，如果你的工作是软件驱动相关，你面对的一个完成的EP，那么就需要通过读这个配置空间来了解他的相关信息。

下图是TYPE0的config space具体项，黑色部分是EP自己出厂时自带的。

我们一项项看。

先看Vendor ID，Device ID，Revision ID，Class Code，SubSystem Vendor ID，SubSystem ID。这六项合在一起，代表了这个EP及function到底是什么。

Vendor ID是厂商编号；

Device ID是function的标号；

Revision ID是版本号；

Class Code是功能分类，比如IDE mass storage controller；

SubSystem Vendor ID，进一步细分，不重要；

SubSystem ID，进一步细分，不重要；

再看header type：bit7代表device是单function还是多function，bit[6:0]代表是EP还是switch。

再看BIST register：代表build-in-self-test，这个function有没有自检模式，有的话，RC通过配置bit6开始自检，自检结果在[3:0]显示。

status register：顾名思义，代表了EP想要告诉RC的一些状态，比如bit4代表有pcie cap list扩展。

command register：代表了该EP的某些功能有没有被使能，比如IO使能代表可以接收IO TLP, BUS master使能代表EP能自己成为master，发出memory/IO request。

cache line size register：老的功能，现已不用

latency timer register：老的功能，现已不用

interrupt line register：将来讲中断会讲到，PCI的中断有4条线INTA/B/C/D#

interrupt pin register：将来讲中断会讲到，这是中断编号，和line register合起来，可以实现function发出中断后，RC能通过寄存器找到具体是哪个function发出的中断。

base address registers：上章提到，代表EP function被分配的pcie域空间

Min_Gnt、Max_Lat Register：老的功能，现已不用

Expansion Rom Base Address register：扩展驱动地址。这里大概介绍下，有的pcie设备需要在计算机boot阶段使用，而此时计算机的操作系统还没开始工作，所以无法加载设备的驱动等内容。怎么办呢？ EP自带expansion rom，把驱动写在EP的rom里，RC读这个rom，就能获得驱动了。这个驱动的地址，就放在Expansion Rom Base Address register里，RC读这个地址不是全FFFF，代表有效，则可以通过BAR0+ERBAR，正式访问ROM。

capabilities point register：重要，capability功能的指针。之前说了，PCI header共64DW，目前我们先研究了前16DW，而后48DW是cap空间，再往后4KB是extended cap空间。48DW的cap空间干什么用的呢？比如power management的配置，又比如MSI中断的配置，空间使用如下图：

总之，RC读capabilities point register，就能找到上图的结构，分析上图的结构，能通过cap ID知道这个功能是什么，pointer to next cap知道下个功能的指针。RC读这些通过指针串成一串的链表，就能知道这个PCIE设备一些具体功能的信息。

CardBus CIS Point register：CardBus device的信息，什么样的pcie设备是CardBus我也不知道，用时再查。

好，现在我们看看整个PCIE系统初始化的进程，下图左是初始状态，而下图右是完成状态，系统已经完全了解所有的device和连接情况，并编号：

1.主机开机后，自然对PCIE的结构一无所知，它只知道自己RC的结构(如上图左，RC框里的内容主机是知道的，即有BUS0，和下面两个P2P桥，所以有两个downport)。

2.自然的，现在需要discover下面的结构，首先就是RC左边的downstream port，有没有连接东西，以及连接的是什么。那么怎么发现呢？通过RC发送给BUS1（咱们知道，如果RC左port上连了一个device，这个link的编号自然是BUS1）一个read config TLP，读该设备pci config space里的venderID+DeviceID这两项。

为什么读这两项呢？因为这是所有的EP生产商约定好的，比如上图是一个A公司的switch，这两项就为32’h3EA，那么RC读到后，就从操作系统库里查到，3EA代表一个A公司的switch，那么说明系统该处接了一个switch。如果该处什么也没接，比如上图BUS8，那么读到的是FFFF,这代表什么都没有。

3.OK,目前读到了BUS1上挂了个SWITCH，RC就会接着读该SWITCH的左port，因为枚举采用深度优先算法，所以暂不管右边的port，而是走左边的一条道走到底。故给BUS3发送read config TLP，就能读到BUS3上的Device0（右图坐下BUS4貌似是笔误，因该为BUS3）。

由于是device而非switch，故此路到此为止。

4.接下来继续访问BUS1 SWITCH的右边port，发现BUS4 Device0，由于是device而非switch，故此路到此为止。此时整个RC左边port下的port都被遍历完毕了，接着该走SWITCH的右port，即BUS5了。

5.上述过程重复，就能把BUS7,8,9也发现了。

6.RC自己会总结，BUS1 BUS5上挂2个switch；BUS0，BUS2，BUS6是RC和SWITCH内部的bus；BUS3,BUS4,BUS7,BUS8,BUS9是挂的device。在枚举过程中，会把各个bus的pri，sec，sub（这三项在PCI配置空间中）填好。比如BUS5的三项为5/6/9，代表自己上游是BUS5,下游是BUS6，以及下游最末端是BUS9，有了这三项就可以进行ID路由了。

7.自此，初始化完成，操作系统完全了解PCIE树的拓扑结构，以及每个节点的device具体类型，后续会通过config rd，config wr继续配置每一个节点，使整个系统正常工作。

既然讲了初始化，我们顺便讲下热插拔，即初始化完成后，RC已经知道了树形结构，此时我又插了一块PCIE网卡，RC识别，这里的机制是什么样的？

PCIE热插拔，特别是拔出被设计成no surprises模式，即你的卡拔出时，不能毫无征兆，上位机措手不及，系统混乱。如何实现呢？PCIE卡的PRSNT1# PRSNT2#触点在两端，且比较高，这样拔卡时，software就先知道拔卡，可以复位，断电等操作，而后才建立或者失去信号连接，下图两端你一看就懂：

PCI和PCIE的热插拔系统有2点不一样：1.因为PCIbus是一起连在pci bus线上的，所以需要每个slot 一套iso逻辑来隔离（和芯片低功耗的isolation一样的作用），PCIE不用；2.PCI的hot-plug controller是系统board上的一个整体，而PCIE的是每个port各有一个自己的controller。

插入PCIe设备的步骤:

两个插槽上的指示灯初始状态是：Attention Indicator(Yellow灯)-Off，Power Indicator(Green灯)-Off

1.用户安装PCIe设备，并且压下Attention按钮或者在软件界面告知系统安装PCIe设备的信息。主要通过发送中断的形式告知系统热插拔信息；

2.热插拔软件通过状态寄存器来验证热插拔的请求；

3.软件命令Power指示灯开始闪烁；

4.软件命令Hot-Plug Controller将Slot打开，让Slot处于ON状态；

5.上电后，Power指示灯处于ON状态；

6.系统为PCIe设备寻找对应的驱动，并将驱动放入内存；

7.系统调用驱动完成对PCIe设备的初始化。

移除PCIe设备的步骤是:

初始状态是：Attention Indicator(Yellow灯)-Off，Power Indicator(Green灯)-On

1.用户通过压下Attention按钮或者在软件界面告知系统移除PCIe设备的消息。当按下Attention按钮之后，Hot-Plug Controller检查到这个讯息之后，会发送中断给Root Complex。之后，Hot-Plug Service会调用Hot-Plug System Driver去读取slot的状态信息并且侦测到Attention按钮的状态；

2.Hot-Plug Service调用Hot-Plug System Driver让Power指示灯开始闪烁5s并通过状态寄存器来验证热插拔的请求；

3.Hot-Plug Service命令Device Driver停用PCIe设备；

4.软件通过Link Control Register关闭PCIe链路；

5.软件命令Hot-Plug Controller关闭slot；

6.断电后，Power指示灯处于OFF状态；

7.系统为PCIe设备寻找对应的驱动，并将驱动放入内存；

8.系统取消对Slot的配置资源。

好，我们接下来分析下USB的配置空间及系统的初始化

USB里如何对一个DEVICE进行描述呢？

我们知道，PCIE通过每个function对应一个PCIE CONFIG space，来描述这个function到底是什么。而USB里，通过descriptors(描述符)来描述deivice的特征和行为。如下图：

注意，这个树形结构仅仅是一个device包含的descriptors，不是整个USB树形结构所有的device和hub的结构。

如上图，这种结构的意思就是，device desc里保存了这个device的相关信息；而6个EP desc代表这个device包含6个EP，每个EP的信息。

当然，上面这个树形结构里部分desc是optional的，有的device存在，有的没有。

那么,Host如何获得这些desc呢？通过control transfer中的一种GetDescriptor即可，如下：

不同的desc有不同的编号：

我们以想获得device descriptor举例，按上表Host应该发送type=1的GetDescriptor request：

而device回复这个control transfer，其data部分如下，包括了device desc的相关信息：

可以看到device desc里的很多信息比如vendorID productID等，正好也是PCIE协议里配置空间里的项，他们的作用是相似的。

OK，关于desc我不想把树形图里的十几种都一一详细解析，上面讲了device desc，剩余的我们大致看一下：

BOS desc：binary object store，包含了也是一些device级别的信息，比如device协议支持的速度和低功耗部分信息。

Configuration desc：接口数量(numb of interfaces)，及host配置值（config value）。什么意思能？一个device，有N个EP，会被分成几个interface。比如说，一个摄像头，有N个EP,其中p个组合在一起为音频接口，而另外q个组合在一起称为视频接口，所以这个device的config desc的接口数量这项的值为2；而host可以配置config value，如果=1，device就知道host希望自己是全功能模式，如果=2，就是host希望自己是仅音频模式，这个值是驱动程序和device的设计者约定的。

interface desc：对应某个interface的的信息，它包含几个EP，interface的类型ID等等，Host通过取interface desc能够知道这个device是否需要鼠标驱动等信息。

EP desc：每一个EP的信息，包括type，maxpacketsize等。

string desc：以unicode characters的形式来显示字符信息，比如之前提到的device desc里就有项目指向这个desc，作为附加说明，这里的信息是给人来看的。

OK，这一块其实系统驱动和device驱动的人对细节比较在意，具体描述符的组织其实我也不太了解，下面举例一个键盘Keyboard的完整描述符信息，大家看看就行：

在这里我们探讨一下，USB device如何被host发现并配置的。

分为下面的步骤：

2.给device分配地址

3.发现device的属性（通过读取device desc）

4.发现给使用者的信息（通过读取string desc）

5.配置device (通过 SetConfiguration Request)

6.启动对应的软件驱动

7.驱动初始化device

我们展开来讲：

我们假设现在系统是一台电脑，电脑上插了个hub。此时插入一个U盘到这个hub上，那么U盘是如何被发现的以及初始化的呢？

首先hub是给要插入U盘的这个port供电的，即VBUS电压有效（如无效这个port是disabled状态，插了U盘也没用）。

此时这个port处于inactive状态，在这个状态下，以12ms为周期检测port的电容充放电时间。为什么呢？因为一旦U盘插入了，由于接了负载，所以充放电变慢了，以此可以推断port插入了device。

OK，此时hub知道了有东西插入了（但不知道是U盘），hub会通过中断告诉host，要处理这个事情。host通过GetPortStatus这个control xfer，来读hub这个port此时的状态，至此，第一步device检测完成。

我们前一章路由讲过，usb device也有地址，当然比pcie的bar分配要简单，这相当于给个门牌号，host通过SetAddress配置下即可，当然host自己是清楚系统中有几个device，各自的地址是多少。这步不起眼，但是是必须的。

5.3节已经介绍过了device通过大量的descriptors来表示这个device的属性信息。所以host通过GetDescriptor来获得所有的这些desc，从而判断是什么device，该调用什么驱动。

其实就是读string desc，string desc是给人读的信息，这步optional不太重要。

5.4.3+5.4.4表示host知道了插入的是什么，以及一些有用的相关信息，那么host根据自己的情况（比如带宽，供电）,开始配置device进入什么状态，比如摄像头功能打开还是关闭的。这步是通过SetConfiguration来完成。

这里和USB协议已经无关了，操作系统的底层驱动开始做一些事情。

到这里你可能会发现，5.4介绍USB的初始化，但是并没有PCIE初始化那些enumerate整个树状结构的过程，而是仅仅类似对一个device的读取和配置。这是因为，虽然同样是树状结构，但是pcie的每个节点有mem map 范围和路由ID，所以需要一套流程，连着switch也要配置对应的mem map和路由信息；

而USB每个树状结构，只需要简单的在route string里表示自己的位置就行了，并且USB系统初始化后，可以认为只有host，别的没有，然后插上一个hub，就记录下位置，再插下级hub，再记录位置，再插device，就记录device的位置，总之是比较简单的，不用那么复杂。