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处理器域及HOST主桥的实现机制与映射关系

【摘要】:处理器系统能够访问的地址空间由存储器域和外部设备域组成。通过HOST主桥,处理器系统可以将处理器域划分为存储器域与PCI总线域。有些书籍认为HOST处理器是PCI总线域的管理者,这种说法并不准确。在第2.2节中,将主要以PowerPC处理器为例说明HOST主桥的实现机制,并在第2.2.4节简要说明x86处理器中的南北桥构架。在PowerPC处理器中,HOST主桥的实现比较完整,尤其是PCI总线域与存储器域的映射关系比较明晰,便于读者准确掌握这个重要的概念。

处理器域是指一个处理器系统能够访问的地址空间集合。处理器系统能够访问的地址空间由存储器域和外部设备域组成。其中存储器域地址空间较为简单,而在不同的处理器系统中,外部设备域的组成结构并不相同。如在x86处理器系统中,外部设备域主要由PCI总线域组成,因为大多数外部设备都是挂接在PCI总线[8]上的,而在PowerPC处理器和其他处理器系统中,有相当多的设备与FSB直接相连,而不与PCI总线相连。

本书仅介绍PCI总线域而不对其他外部设备域进行说明。其中存储器域与PCI总线域之间由HOST主桥联系在一起。深入理解这些域的关系是深入理解PCI体系结构的关键所在,实际上这也是理解处理器体系结构的基础。

通过HOST主桥,处理器系统可以将处理器域划分为存储器域与PCI总线域。其中存储器域与PCI总线域彼此独立,并通过HOST主桥进行数据交换。HOST主桥是联系存储器域与PCI总线域的桥梁,是PCI总线域实际的管理者。

有些书籍认为HOST处理器是PCI总线域的管理者,这种说法并不准确。假设在一个SMP处理器系统中,存在4个CPU而只有一个HOST主桥,这4个CPU将无法判断究竟谁是HOST处理器。不过究竟是哪个处理器作为HOST处理器并不重要,因为在一个处理器系统中,是HOST主桥管理PCI总线域,而不是HOST处理器。当一个处理器系统中含有多个CPU时,如果每个CPU都可以访问HOST主桥,那么这些CPU都可以作为这个HOST主桥所管理PCI总线树的HOST处理器。

在一个处理器系统中,CPU所能访问的PCI总线地址一定在存储器域中具有地址映射;而PCI设备能访问的存储器域的地址也一定在PCI总线域中具有地址映射。当CPU访问PCI域地址空间时,首先访问存储器域的地址空间,然后经过HOST主桥转换为PCI总线域的地址,再通过PCI总线事务进行数据访问。而当PCI设备访问主存储器时,首先通过PCI总线事务访问PCI总线域的地址空间,然后经过HOST主桥转换为存储器域的地址后,再对这些空间进行数据访问。

由此可见,存储器域与PCI总线域的转换关系由HOST主桥统一进行管理。有些处理器提供了一些寄存器进行这种地址映射,如PowerPC处理器使用Inbound和Outbound寄存器组保存存储器域与PCI总线域的地址映射关系;而有些处理器并没有提供这些寄存器,但是存储器域到PCI总线域的转换关系依然存在。

HOST主桥进行不同地址域间的数据交换时,需要遵循以下规则。为区别存储器域到PCI总线域的地址映射,下面将PCI总线域到存储器域的地址映射称为反向映射。(www.chuimin.cn)

(1)处理器访问PCI总线域地址空间时,首先需要访问存储器域的地址空间,再通过HOST主桥将存储器地址转换为PCI总线地址,之后才能进入PCI总线域进行数据交换。PCI设备使用的地址空间保存在各自的PCI配置寄存器中,即BAR寄存器中。这些PCI总线地址空间需要在初始化时映射成为存储器域的存储器地址空间,之后处理器才能访问这些地址空间。在有些处理器的HOST主桥中,具有独立的寄存器保存这个地址映射规则,如PowerPC处理器的Outbound寄存器组;而有些处理器,如在x86处理器中,虽然没有这样的寄存器组,但是在HOST主桥的硬件逻辑中仍然存在这个地址转换的概念。

(2)PCI设备访问存储器域时,首先需要访问PCI总线域的地址空间,再通过HOST主桥将PCI总线地址转换为存储器地址,才能穿越HOST主桥进行数据交换。为此处理器需要通过HOST主桥将这个PCI总线地址反向映射为存储器地址。PCI设备不能访问在PCI总线域中没有进行这种反向映射的存储器域地址空间。PowerPC处理器使用Inbound寄存器组存放PCI设备所能访问的存储器空间,而在x86处理器中并没有这样的寄存器组,但是依然存在这个地址转换的概念。

(3)如果HOST主桥不支持Peer-to-Peer传送方式,那么分属不同PCI总线域的PCI设备间不能直接进行数据交换。在32位的PCI总线中,每一个PCI总线域的地址范围都是0x0000-0000~0xFFFF-FFFF,但是这些地址没有直接联系。PCI总线x域上的PCI总线地址0x0000-0000与PCI总线y域上的PCI总线地址0x0000-0000并不相同,而且这两个PCI总线地址经过HOST主桥反向映射后,得到的存储器地址也不相同。

在第2.2节中,将主要以PowerPC处理器为例说明HOST主桥的实现机制,并在第2.2.4节简要说明x86处理器中的南北桥构架。尽管部分读者对PowerPC处理器并不感兴趣,笔者仍然强烈建议读者仔细阅读第2.2节的全部内容。

在PowerPC处理器中,HOST主桥的实现比较完整,尤其是PCI总线域与存储器域的映射关系比较明晰,便于读者准确掌握这个重要的概念。而x86处理器由于考虑向前兼容(backward compatibility),设计中包含了太多的不得已。x86处理器有时不得不保留原设计中的不完美,向前兼容是Intel的重要成就,也是一个沉重的十字架。