最近在学习 PCI/PCIe 子系统，因此将学习笔记记录于此，参考的是《PCI Local Bus Specification Revision 3.0》以及韦东山老师的视频教程。
CPU如何与PCI设备交互
在计算机系统中，CPU 与外设交互的核心动作之一，就是内存空间的访问。无论访问的是片内 RAM、外设寄存器还是总线挂载设备，都离不开三个核心要素：目标地址、待传输的数据、读写操作方向。但是，当 CPU 面对不同总线架构的外设时，其底层实现逻辑却不同，下面以 I2C 与 PCIe 进行举例。
CPU 访问 I2C 设备时，看似是对某一“地址”写入指令或读取数据，但这个地址并非 I2C 设备自身的物理地址，而是 CPU 虚拟地址空间中 I2C 控制器的内存映射寄存器。I2C 作为一种串行时序驱动型总线，不具备直接的地址映射能力，CPU 的所有操作都需要通过控制器来翻译成标准 I2C 时序：从发送 START 起始信号、挂载设备的7位（或者10位）地址与读写方向位，到传输待访问的设备内部地址、发送或接收数据，再到等待每一个阶段的 ACK 应答信号，整个流程都需要 CPU 通过配置控制器寄存器来触发和管控。这个过程中，地址只是触发控制器工作的开关，真正的设备交互完全依赖时序信号的有序传递。
而 PCI 设备的访问逻辑则截然不同。在 PCI 总线架构下，绝大多数外设都采用内存映射 I/O（MMIO） 机制，系统初始化时，BIOS 或驱动会将 PCI 设备的内部寄存器、存储空间，映射到 CPU 的虚拟地址空间中。当 CPU 在这个映射好的虚拟地址上执行读写操作时，无需额外的时序配置，硬件层面会自动完成地址的转换：CPU 发出的虚拟地址先经 MMU 转换为物理地址，再由 PCI 总线的地址解码逻辑，将物理地址映射为设备可识别的内部地址。
整个过程对 CPU 而言近乎透明，就像访问普通内存一样简单，PCI 总线的高速特性与硬件级地址映射能力，让 CPU 与设备的交互效率远超 I2C 这类串行总线。
硬件层面分析访问过程
如图所示，CPU发出的地址对应不同的外设或存储单元，可能指向DRAM内存、Cache缓存，也可能是PCI设备。不同设备拥有独立的地址范围，以此区分访问目标。当CPU地址指向PCI设备时，桥接器（Bridge）会先将CPU地址转换为PCI总线地址，该地址将广播至总线上的所有PCI设备。
但所有PCI设备都会接收到该地址，如何确定唯一响应设备？这就需要通过设备配置流程为每个PCI设备分配专属地址空间，具体步骤如下：
- 读取配置寄存器：系统通过访问设备配置寄存器，获取设备类型、所需地址空间大小等关键信息；
- 分配地址空间：根据配置寄存器读取的需求，系统为该设备分配一段独立的PCI总线地址空间；
- 写入基地址寄存器：将分配的地址空间首地址写回设备的基地址寄存器（BAR）。
完成配置后，当CPU发出的地址落在该设备已分配的地址空间范围内时，对应PCI设备会主动响应访问请求。
关键引脚
接下来通过引脚讲述如何访问设备配置寄存器：
从PCI引脚图可见，AD[31:0]共32个引脚为地址和数据传输复用引脚，即同一组引脚既传输地址信息，也传输数据信息。那么如何分辨传输的是地址还是数据呢？
结合时序图可知，FRAME#信号（帧周期信号，低电平有效）是区分地址与数据传输的核心标志：
- 当FRAME#为低电平时，首个时钟周期内AD引脚传输的是PCI总线地址；
- 地址传输完成后，后续时钟周期AD引脚切换为数据传输模式，实现地址与数据的分时复用。
那么当进行配置时，怎么指定设备呢？通过IDSEL引脚，通过IDSEL引脚（初始化设备选择引脚）选中指定PCI设备，仅被选中的设备会响应配置空间访问请求，未被选中的设备忽略配置指令。
此外，每个设备都有特定的功能（Function），而每个设备最多有8种功能，那么在选定指定设备时，怎么确定具体的功能呢？又怎么去选择指定的寄存器呢？
如上图所示，需在地址传输阶段，通过控制AD[31:0]引脚的特定位，同时指定目标功能编号与配置寄存器地址，实现功能与寄存器的选择。
最后，通过4个C/BE#引脚可以控制读写方向。
总结来说，IDSEL引脚指定设备，AD引脚指定功能、寄存器、传输数据，而C/BE#控制读写方向，可以对指定的配置寄存器进行读写。
配置空间
PCI中，配置空间分为两种，一种是type0（非桥设备），一种是type1（桥设备）。以type0为例，看一下配置空间的排布：
核心寄存器包括：
- Vendor ID（厂商ID）：唯一标识设备制造商；
- Device ID（设备ID）：标识具体设备型号，与厂商ID组合可唯一识别PCI设备；
- Class Code（设备类型）：定义设备所属类别（如存储控制器、网络控制器）；
- Base Address Registers（BAR，基地址寄存器）：即前文提及的存储地址空间首地址的寄存器，记录系统分配给设备的专属地址范围，是设备响应地址访问的核心依据。