PCIe初始化流程详解：链路训练 → 枚举 → 资源分配

本主要介绍PCIe初始化的基本流程。在PCIe复位释放后，PCIe硬件会开始链路训练和初始化流程，链路训练完成后会进行PCIe枚举扫描，最后进行BAR空间等资源分配，然后就可以正常工作了。

1. 链路训练

PCIe冷复位、暖复位、或者热复位释放后，LTSSM（链路训练状态机）会开始链路训练，正常会按照Detect → Polling → Configuration → L0的顺序跳转。

首次进入L0状态时链路会进入PCIe gen1模式，如果双方都支持更高的速率，会立即进行gen2/3/4等速率的训练，当再次进入L0状态时链路训练完成。

LTSSM共有11个顶层状态：Detect、Polling、Configuration、Recovery、L0、L0s、L1、L2、Hot Reset、Loopback和Disable。状态跳转图如下：

在链路训练期间，主要完成的工作有以下：

完成位锁定（Bit Lock）。接收端的时钟和数据恢复逻辑（CDR，Clock and Data Recovery）通过使用数据比特流作为时钟的参考信号，来重建发送端的时钟。一旦从数据流中恢复了时钟，接收端就完成了位锁定，可以正确采样输入数据。

完成Symbol锁定或者Block锁定（Gen3）。

如有必要，校正通道极性翻转。

得知通道支持的链路数据速率。

协商链路宽度

为各通道（lane）指定编号

检测是否需要lane reversal，并校正

补偿各个通道之间的时序偏斜（Deskew Lane-to-Lane timing differences）。

PCIe链路训练的详细介绍参考：PCIe链路初始化和训练介绍

2. 枚举

扫描链路训练完成后，会进行PCIe枚举扫描。配置软件（例如UEFI）需要扫描PCIe网络结构，来发现整个PCIe拓扑。

配置软件一般是读取Function的Vendor ID寄存器来搜索这个Function是否存在。PCI-SIG给每个厂商分配了唯一的16-bit的Vendor ID。

枚举的一个关键部分就是确定Function是bridge还是EP。Header Type寄存器（位于配置空间Header的偏移地址0Eh）的低7-bit标识Function的类型，一共定义了三个值：

0 = 不是Bridge（即PCIe EP）

1 = PCI-to-PCI Bridge（缩写为P2P）

2 = CardBus Bridge（legacy接口）

下图是一个经过枚举后的系统示例，枚举过程具体如下。

软件将Host/PCI Bridge的Secondary Bus Number更新为0，并将Subordinate Bus Number更新为255。设置为最大值是因为Sub Num可以保持不变，直到Host/PCI Bridge下方的所有总线都识别出来，再更新成准确值。此时Host/PCI Bridge下方的总线范围是Bus 0到255。

从Device 0（bridge A）开始，软件读取Bus 0上的32个可能存在的Device，读取它们Function 0中的Vendor ID。如果Bus 0,Device 0,Function 0返回了有效的Vendor ID，那么认为这个设备存在且至少含有一个Function。若Bus 0,Device 0,Function 0没有返回有效的Vendor ID，则继续探测Bus 0,Device 1,Function 0。

在本例中，值为1的Header Type字段表示这是一个PCI-to-PCI Bridge。Header Type寄存器中的multi-function bit为0，表示Function 0是这个Bridge唯一的Function。协议并没有阻止Bridge这样的设备去实现多个Function，相反地，当有多个Function时，每个Function可以作为虚拟PCI-to-PCI bridge，甚至是非bridge的function。

现在软件发现了一个bridge，并进行一系列配置写操作来设置该Bridge的总线号寄存器：Primary Bus Number Register = 0；Secondary Bus Number Register = 1；Subordinate Bus Number Register = 255。即这个Bridge下方直接相连的总线号为1，它下方从属的最大总线号是255。

软件必须进行深度优先的搜索。在继续发现Bus 0上的其他Device/Function之前，它必须先搜索Bus 1。

软件读取Bus 1,Device 0,Function 0的Vendor ID，即目标设备是Bridge C。这次读取将返回一个有效的Vendor ID，表示Bus 1上存在Device 0，Function 0。

Header寄存器中的Header Type字段的值为1，表示它是PCI-to-PCI Bridge。multi-function bit = 0，表示Bridge C是一个单Function设备。

软件执行一系列的配置写操作来设置Bridge C的总线号寄存器：Primary Bus Number = 1；Secondary Bus Number = 2；Subordinate Bus Number = 255。

软件继续进行深度优先的搜索，读取Bus 2,Device 0,Function 0的Vendor ID。Bus 2上的Device 0,Function 0是Bridge D。

读请求返回有效的Vendor ID，表示Bus 2,Device 0,Function 0存在。

Header寄存器中的Header Type字段的值为1，表示它是PCI-to-PCI Bridge，且multi-function bit=0，表示Bridge D是一个单Function设备。

软件执行一系列的配置写操作来设置Bridge D的总线号寄存器：Primary Bus Number = 2；Secondary Bus Number = 3；Subordinate Bus Number = 255。

软件继续深度优先的搜索，读取Bus 3,Device 0,Function 0的Vendor ID。Bus 3上的Device 0,Function 0是Bridge D。

读请求返回了有效的Vendor ID，表示Bus 3,Device 0,Function 0存在。

Header寄存器中的Header Type字段的值为0，表示它是EP。由于它是EP而不是Bridge，因此它有一个Type 0 Header，并且下面没有PCI兼容总线了。这个EP的multi-function bit = 1，表示它是multi-function设备。

软件读取Bus 3,Device 0上的可能的8个Function的Vendor ID，确认除了Function 0之外只存在Function 1。Function 1也是EP（Type 0 Header），因此这个设备下面没有其他的总线了。

软件继续在Bus 3上扫描，寻找Device 1~31上有效的function，但没有找到其他的function。

软件找完Bridge D下面的所有Function后，会更新Bridge D的信息，即将从属总线号更新为真实值3。然后软件回到上一个总线层级（Bus 2），并继续在这个总线上扫描，寻找有效的function。在本例中，Bus 2上的Device 1,Function 0是Bridge E。

读请求返回有效的Vendor ID，表示Bus 2,Device 1,Function 0存在。

Header寄存器的Header Type字段的值为1，表示它是PCI-to-PCI Bridge，且bit 7的值为0，表示Bridge E是一个单function设备。

软件进行一系列的配置写操作来设置Bridge E的总线号寄存器：Primary Bus Number = 2；Secondary Bus Number = 4；Subordinate Bus Number = 255。

软件继续深度优先的搜索，读取Bus 4,Device 0,Function 0的Vendor ID。

读请求返回有效的Vendor ID，表示Bus 4,Device 0,Function 0存在。

Header寄存器的Header Type字段的值为0，表示它是EP设备，且bit 7值为0，表示它是单function设备。

软件继续在Bus 4上扫描，寻找Device 1~31上有效的function，但没有找到其他function。

软件已经到达这个搜索分支的底部，因此它会更新当前总线上相连的Bridge（即Bridge E），将其从属总线号更新为真实值4。然后软件回到上一个总线层级（Bus 2），继续读取该总线上的下一个设备（Device 2）的Vendor ID。由于Bus 2上并没有Device 2~31，因此软件没有发现Bus 2上的其他设备。

软件更新Bus 2上面相连的Bridge（即Bridge C），将其从属总线号更新为真实值4，并回到上一个总线层级（Bus 1），继续读取该总线上的下一个设备（Device 1）的Vendor ID。本例中，Bus 1上没有实现Device 1~31，因此软件没有发现Bus 1上有其他设备。

软件更新Bus 1上面相连的Bridge（即Bridge A），将其从属总线号更新为真实值4，并回到上一个总线层级（Bus 0），继续读取该总线上的下一个设备（Device 1）的Vendor ID。本例中，Bus 0上的Device 1，Function 0是Bridge B。

与前面类似，枚举软件发现Bridge B，并进行一系列的配置写操作来设置Bridge B的总线号寄存器：Primary Bus Number = 0；Secondary Bus Number = 5；Subordinate Bus Number = 255。

软件在Bus 5上发现Bridge F，并进行一系列的配置写操作来设置Bridge F的总线号寄存器：Primary Bus Number Register = 5；Secondary Bus Number = 6；Subordinate Bus Number = 255。

接着软件在Bus 6上发现Bridge G，并进行一系列的配置写操作来设置Bridge G的总线号寄存器：Primary Bus Number Register = 6；Secondary Bus Number = 7；Subordinate Bus Number = 255。

当软件继续在Bus 7上搜索，发现一个单Function的EP设备，Bus 7,Device 0,Function 0，因此将Bridge G的从属总线号更新为7。

软件向上回到Bus 6继续搜索，然后发现Bridge H，并进行一系列的配置写操作来设置Bridge H的总线号寄存器：Primary Bus Number Register = 6；Secondary Bus Number = 8；Subordinate Bus Number = 255。

然后软件在Bus 8上发现Bridge J，并执行一系列的配置写操作来设置Bridge J的总线号寄存器：Primary Bus Number Register = 8；Secondary Bus Number = 9；Subordinate Bus Number = 255。

Bus 9上的所有设备以及Function都已经被搜索完成，它们都不是Bridge，所以将Bridge H和Bridge J的从属总线号更新为9。

软件向上回到Bus 6继续搜索，然后发现了Bridge I，并执行一系列的配置写操作来设置Bridge I的总线号寄存器：Primary Bus Number Register = 6；Secondary Bus Number = 10；Subordinate Bus Number = 255。

当软件继续在Bus 10上搜索，发现一个单Function的EP设备，Bus 10,Device 0,Function 0。

由于枚举软件已经到达这个搜索分支的底部，这个底部也是整个PCIe拓扑树状结构的底部，因此Bridge B、F、I的从属总线号会被更新为10，而Host/PCI Bridge也会将从属总线寄存器更新为这个值。

每个Bridge中最终的主总线号、次级总线号和从属总线号可以参考图3‑9。

枚举详细介绍：PCIe枚举过程

3. 资源分配

枚举完成后，会配置BAR寄存器来分配memory等资源。BAR寄存器如下：

软件把每个BAR都通过配置写操作将可写入的bit写为全1（被固定的低位bit不受影响）。如下图，除了bit[11:0]以外，所有的bit都被写为1。写全1是为了确定最低位的可写入的bit是哪一位，这个bit的位置指示了请求的地址空间大小。在本例中，最低位可写入的bit为bit 12，因此这个BAR需要请求2^12（4KB）的地址空间。如果最低可写入bit为bit 20，那么就要请求2^20（1MB）的地址空间。