QEMU源码全解析 —— PCI设备模拟（1）

已于 2024-10-10 08:21:07 修改
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分类专栏： QEMU/KVM KVM 文章标签： QEMU KVM PCI
于 2024-01-10 10:11:28 首次发布
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本文详细探讨了QEMU中PCI设备的模拟，介绍了PCI设备的基本概念，包括PCI总线的作用、PCI设备的位置确定以及配置空间的结构。通过分析lspci命令的使用，进一步阐述了PCI设备中断号、配置空间内容查看等操作，揭示了PCI设备在系统中的工作原理。
摘要由CSDN通过智能技术生成

接前一篇文章：

1. PCI设备简介

PCI是用来连接外设的一种局部（local）总线，其主要功能是连接外部设备。 PCI总线 规范在20世纪90年代提出以后，逐渐取代了其它各种总线，被各种处理器所支持。直到现在，PCI总线及其发展出来的PCIe总线都在PC上得到广泛使用。在 Linux 系统上，输入lspci命令，可以看到当前系统的PCI设备（笔者使用的是Ubuntu 22.04的虚拟机）： 

  1. $ lspci
  2. 00:00.0 Host bridge: Intel Corporation 440BX/ZX/DX - 82443BX/ZX/DX Host bridge (rev 01)
  3. 00:01.0 PCI bridge: Intel Corporation 440BX/ZX/DX - 82443BX/ZX/DX AGP bridge (rev 01)
  4. 00:07.0 ISA bridge: Intel Corporation 82371AB/EB/MB PIIX4 ISA (rev 08)
  5. 00:07.1 IDE interface: Intel Corporation 82371AB/EB/MB PIIX4 IDE (rev 01)
  6. 00:07.3 Bridge: Intel Corporation 82371AB/EB/MB PIIX4 ACPI (rev 08)
  7. 00:07.7 System peripheral: VMware Virtual Machine Communication Interface (rev 10)
  8. 00:0f.0 VGA compatible controller: VMware SVGA II Adapter
  9. 00:10.0 SCSI storage controller: Broadcom / LSI 53c1030 PCI-X Fusion-MPT Dual Ultra320 SCSI (rev 01)
  10. 00:11.0 PCI bridge: VMware PCI bridge (rev 02)
  11. 00:15.0 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  12. 00:15.1 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  13. 00:15.2 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  14. 00:15.3 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  15. 00:15.4 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  16. 00:15.5 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  17. 00:15.6 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  18. 00:15.7 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  19. 00:16.0 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  20. 00:16.1 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  21. 00:16.2 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  22. 00:16.3 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  23. 00:16.4 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  24. 00:16.5 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  25. 00:16.6 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  26. 00:16.7 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  27. 00:17.0 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  28. 00:17.1 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  29. 00:17.2 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  30. 00:17.3 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  31. 00:17.4 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  32. 00:17.5 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  33. 00:17.6 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  34. 00:17.7 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  35. 00:18.0 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  36. 00:18.1 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  37. 00:18.2 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  38. 00:18.3 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  39. 00:18.4 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  40. 00:18.5 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  41. 00:18.6 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  42. 00:18.7 PCI bridge: VMware PCI Express Root Port (rev 01)
  43. 02:00.0 USB controller: VMware USB1.1 UHCI Controller
  44. 02:01.0 Ethernet controller: Intel Corporation 82545EM Gigabit Ethernet Controller (Copper) (rev 01)
  45. 02:02.0 Multimedia audio controller: Ensoniq ES1371/ES1373 / Creative Labs CT2518 (rev 02)
  46. 02:03.0 USB controller: VMware USB2 EHCI Controller
  47. 02:04.0 SATA controller: VMware SATA AHCI controller

这里对于lspci命令进行一下知识补强。参考一下博文：

lspci 命令详解及常用命令-CSDN博客

一、说明

lspci是查看设备上PCIe设备信息的命令。该命令的不同参数配合，在查看PCIe设备和定位PCIe问题时很有用。包括查看PCIe设备中断号、查看配置空间内容、修改配置空间寄存器等操作。

二、参数说明

表1 基本参数

tag 说明 实例
-v 显示设备上所有pcie设备的一些信息 lspci -v
-vv 显示更多的信息，几乎包含了所有有用的信息 lspci -vv
-vvv 显示相当详细的信息，所有能够解析出来的pcie信息都会显示出来 lspci -vvv
-n 显示设备上所有pcie设备的vendor id 和device id lspci -n
-x 显示设备上所有pcie设备的配置空间的标准部分（前 64 字节或 CardBus 桥接器的 128 字节） lspci -x
-xxx 显示设备上pcie设备的配置空间的所有内容 lspci -xxx
-xxxx 显示 PCI-X 2.0 和 PCI Express 总线上可用的扩展（4096 字节）PCI 配置空间内容 lspci -xxxx
-b 显示所有pcie设备的总线地址 lspci -b
-t 以树形结构显示pcie设备，能展示设备上所以pcie总线、桥、pcie设备之间的连接关系 lspci -t

表二 限制参数

tag 说明 实例
-s [[[[domain]:]bus]:][slot][.[func]] 根据domain bus号等信息，查看指定pcie设备的信息，可搭配表1任意参数使用 lspci -vv -s 00:1f.3
-d []:[] 查看指定device id和vendor id的pcie设备的信息，可搭配表1任意参数使用 lspci -vv -d 8086:8c22

每一个PCI设备在系统中的位置由总线号（Bus Number）、设备号（Device Number）和功能号（Function Number）唯一确定 。有的设备肯能有多个功能，从逻辑上来说是单独的设备。可以在PCI总线上挂一个桥设备，之后在该桥上再挂一个PCI总线或者其它总线。PCI设备结构如下图所示：

2458e0a2549b82165e15180f7a6419ca.png

102876a98ba6a5d4bb54f74bfdee701f.png

PCI设备有自己独立的地址空间，叫做PCI地址空间 。也就是说 从设备角度看到的地址跟从CPU角度看到的地址，本质上不在一个地址空间 ，这种 隔离 就 是由 上图中的 HOST-PCI（HOST/PCI）主桥完成的 。 CPU需要通过主桥才能访问PCI设备，而PCI设备也需要通过主桥才能访问主存储器 。

主桥的一个重要作用就是将处理器访问的存储器地址转换为PCI总线地址 。x86架构对于存储器地址空间和PCI地址空间区分得不是很清晰，因为本质上是两个不同的地址空间，但是其地址是相同且一一对应的。

每个PCI设备都有一个配置空间，该空间至少有256字节。其中，前面64个字节是标准化的，每个设备都是这个格式，后面的数据则由设备决定。

PCI设备配置空间如下图所示：

88d908125ffd50791e59cf6fc206676f.png

下面对配置空间进行简单介绍（这一段可以对照笔者的文章 《PCI Express体系结构导读》随记 —— 第I篇 第2章 PCI总线的桥与配置（12） 以及后续文章）。

Vendor ID、Device ID、Class Code用来表明设备的身份 ， 有时 （有些场景下） 还会设置Subsystem Vendor ID和Subsystem Device ID 。

6个Base Address表示的是PCI设备的IO地址空间 （BAR寄存器保存PCI设备使用的地址空间的基地址，该基地址保存的是该设备在PCI总线域中的地址）， 虚拟机 可以 通过这些地址空间对设备进行读写配置控制 。除了6个BAR，还可能有一个ROM的BAR（Expansion ROM base address 寄存器，有些PCI设备在处理器还没有运行操作系统之前，就需要完成基本的初始化设置）。

有两个与中断设置有关的值， IRQ Line表示设备使用的是哪一个中断号 。如传统的中断控制器由两个82599芯片看级联而成，有0~15号Line， IRQ Line表示的是使用哪一根线 ； IRQ Pin表示的是PCI设备使用哪一条引脚连接中断控制器 。 PCI总线上的设备可以通过4根中断引脚INTA~D#向中断控制器提交中断请求 ，这里的IRQ Pin即用来表示这个引脚编号。 1~4分别表示INTA~INTD#的4个引脚 ， 大部分设备使用中断线INTA引脚 。 如果设备不支持中断，则该域为0 。

PCI总线能够发送对应的INTA~INTD#4个信号，这4个信号会与中断控制器的IRQ_PIN引脚相连。 PCI总线规范中并没有规定PCI设备的INTx信号与中断控制引脚的连接关系，因此系统软件需要使用中断路由表存放PCI设备的INTx信号与中断控制器的连接关系 ， 中断路由表通常是由BIOS等系统软件建立的 。

为了 均衡PCI总线上的负载 ，通常 PCI信号与终端信号的连接都是错开的 。如下图所示：

fc9dd2a609f09db7f0e9ac0ecb7c9045.png

插槽A上的设备与插槽B、C上的设备使用不同的信号线连接中断控制器的IRQY#引脚，其它类似。这种连接方式也让每个插槽的中断信号INTA连接到不同的中断设备引脚。

欲知后事如何，且看下回分解。

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