深入理解 PCIe 协议中 BDF（Bus/Device/Function）分配与管理机制

本篇文章，适用于对 PCI 和 PCIe 协议有一定了解的读者，不了解的同学，可以先阅读其它 PCI 相关文章

1、引言

  通过前面章节的学习，我们对 PCI/PCIe 协议已经有了一个整体的把握。现在我们来讨论一个更深入的问题，每个设备是如何知道自己的 BDF 的？是由硬件决定还是软件决定的呢？

2、 PCI 中的 BDF

  首先关于 Bus 号，当一个 “配置访问请求” 从 HOST 主桥发出，有且只会传递到与其直连的一级 Bus 总线上。接着再由这一级 Bus 总线上的桥片中的 Primary、Secondary、Subordinate Bus Number 决定是否要接着向下转发。而桥配置空间中的 Primary、Secondary、Subordinate Bus Number 的值都是可配置的。

  关于 Device 号，在 PCI 总线学习笔记（五） 一章中，有详细讲解，这里不再赘述。PCI 协议中的 Device 号，完全是由硬件连线决定的。

3、 PCIe 中的 BDF

1. Host Bridge 中的两个 Downstream Ports 设备，是如何他们自己分别是 Device 几呢？
   答：是由硬件设计决定的。同样的，Switch 中的 Downstream Ports 设备的设备号，也都是由硬件设计决定的。

2. 当访问 Bus 1 上的设备时，Host Bridge 发出的请求是如何转发的？
   答：这实际上和 PCIe 设备枚举的流程有关。通常 PCIe 使用深度优先遍历（DFS）进行枚举设备。在枚举 BDF（0,0,0）后，会接着尝试访问 BDF（1,0,0）、访问 BDF（2,0,0），在枚举的过程中，会不断修改桥设备（除 endpoint 设备外的设备）的中的 Primary、Secondary、Subordinate Bus Number Register。这三个寄存器，决定了 Bus 号的路由。例如：
     a. 当枚举到 BDF（0,0,0）后，会设置该设备的 Primary Bus = 0、Secondary Bus = 1、Subordinate Bus = 0xff
     b. 当枚举 BDF（1,0,0）时，只会从 Device 0 这个 Downstream Ports 路由。因为硬件（Switch）根据 Primary、Secondary、Subordinate Bus Number 知道了 Bus 1 在 Device 0 这个 Downstream Ports 下面。
     c. 接着会将该设备的 Primary Bus = 1、Secondary Bus = 2、Subordinate Bus = 0xff…
     d. 循环往复，完成整颗 PCIe 树的设备枚举

PCIe 设备枚举过程的代码详解，参考：PCI 总线学习笔记（三）

  理论上说，如果强制把 Device 1 的 Primary、Secondary、Subordinate Bus Number 改成和 Device 0 一样的（Device 0 强制修改成其它值），访问 Bus 1 时，会从 Device 1 这个 Downstream Ports 路由，那么整棵树形结构就会发生变化。

3、总结

PCI / PCIe 中：

• RC 发出的访问
  • Endpoint 设备需要经过各级桥设备的 ID 路由来响应 RC
  • 与 RC 直连的桥设备，不需要经过路由，直接根据硬件的 Device 号响应 RC
  • 不与 RC 直连的桥设备，依赖其上级桥设备的 ID 路由响应 RC。例如，当前桥设备为 A，该桥设备的上一级桥设备为 B。只要 RC 发出的访问被 B 接收到、并且在 B 的 Primary、Secondary、Subordinate Bus Number 范围内，那么桥设备 A 就一定能响应 Bus 号为 Secondary + 1 的访问请求，由硬件决定