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PCI-Express （peripheral component interconnect express）是一种高速串行计算机扩展总线标准，它采用高速串行点对点双通道的传输架构，使得每一个所连接的设备都能够被分配到独享的通道带宽，与传统共享总线带宽的方式截然不同，独享通道带宽有效避免了多个设备争抢带宽的情况，从而显著提升了数据传输的效率和稳定性。PCI-Express主要支持主动电源管理，错误报告，端对端的可靠性传输，热插拔以及服务质量（QOS）等重要功能，这些功能共同构建起了一个高效、稳定且灵活的计算机扩展总线系统。

PCIe接口应用：虚拟网卡

在PCIe（PCI Express）系统中，BDF（Bus, Device, Function）是用于唯一标识设备的关键资源标识方式，它构成了 PCIe 设备的 "地址" 系统，让操作系统和固件能够准确定位和管理总线上的每个功能单元。BDF 格式通常表示为BB:DD.F，分别为Bus（总线号，BB），用于区分系统中的不同 PCIe 总线。Device（设备号，DD），用于标识同一总线上的不同物理设备。Function（功能号，F），用于标识同一物理设备内的不同逻辑功能（对应多 func 设备）。

E2000 PCIe EP支持生成多个真实 function的能力，其控制器内包含3个逻辑功能单元。目前function0默认用作DC的图形显示功能，同样的其他function的BAR0都用于特定的硬件功能无法更改，但BAR1-5可以选择性的映射地址。如下图所示，E2000内核启动后按照内核EPC驱动提供的sys接口配置相关参数（如Vendor ID、Device ID等），Host上电启动后则会扫描一个05:00.1的PCIe EP。

此时用户需要在E2000端基于内核EPC框架开发EP驱动，在Host端开发RC驱动。Host内核在启动过程中，会根据PCI Device ID Table（VendorID、DeviceID）自动匹配并加载对应的RC驱动。Host与EP驱动之间通过BAR空间所映射的共享内存进行通信，即前述的共享内存通信机制。用虚拟网卡为例，加载驱动后Host与EP在系统中分别呈现出一个网络设备。两者应用层可通过Socket网络编程进行通信，在内核中网络数据包以sk_buff（skb）形式进行处理，那么共享内存中传输的数据为skb的网络数据包。

由于共享内存缓冲区大小在初始化时就已固定，若要在BAR空间里存储完整的SKB数据，就需要为其分配足够大的固定缓冲区，这会造成巨大的浪费（内存碎片化），大量碎片化网络数据包的通信场景将成为性能瓶颈。同时在共享内存PIO机制下，CPU的核心工作变成执行IN/OUT指令，即从端口读取数据到寄存器，再从寄存器写入内存（或反之），每个字节/字的移动都需要CPU亲自执行指令。CPU时间几乎全部被数据搬运占用，无法有效处理真正的网络协议栈（IP、TCP解包）或用户应用程序。为了解决这个问题，真实的网卡都会使用DMA引擎来搬运数据。

E2000 PCIe控制器实现了两个完全独立的 DMA 引擎模块，可以编程使用 DMA 直接传输或分散式DMA（SG-DMA）传输。每个 DMA 引擎，既支持从主存到 EP 设备搬运数据，也支持从 EP 设备到主存搬运数据；支持任意长度的数据传输（DMA 直接传输模式最大 4GB；SG DMA 模式每个描述符最大 16MB）。DMA控制器作为总线主控设备，可以主动发起对内存的读写操作，在不经过CPU寄存器的情况下，直接在外设（如网卡）和内存之间建立数据通道，这消除了不必要的中间步骤，效率更高。让CPU的角色从“搬运工”转变为“管理者”。它只负责初始化DMA传输（设置描述符）和处理传输完成后的中断，其余时间CPU可以去处理其他计算任务。

当引入DMA控制器后，BAR空间内不再需要CPU填充完整的skb数据，而只需写入待发送skb的内存物理地址和长度，理论上CPU占用率可以大幅下降。但是目前还没有“通知EP启动DMA引擎搬运”的方法，导致RC和EP驱动都需要轮询BAR空间来识别是否有新的SKB需要发送。所以还需要一种中断触发机制来解决这个问题，而在PCIe总线上一般使用MSI/MSI-X和Doorbell实现。

MSI（Message Signaled Interrupt）是一种EP主动触发RC产生中断的功能，系统软件在RC枚举PCIe总线时会扫描每个EP的PCIe空间，为支持MSI能力的EP设置Message Address Register，这个地址通常就是处理器中断控制器的地址。同时根据硬件平台当前可用的中断资源，分配相应数量的、连续的中断向量号给这个设备，并将起始向量号写入设备的 MessageData寄存器中。

当BMC需要触发Host MSI中断时，则会使用该地址发出上图所示Memory Write Transaction的TLP报文给Host,使其产生中断。随后Host内核基于报文的MSI中断向量号调用设备驱动注册的中断处理函数。从上述EP使RC产生中断的过程发现，MSI本质上是一种特殊的 Memory Write TLP报文。

Doorbell是一种在PCIe设备中广泛应用的软件编程模型或概念。它并非由PCIe基础规范直接定义一个叫做 “Doorbell” 的特定寄存器，而是被许多建立在PCIe之上的设备规范（如NVMe,SR-IOV虚拟化）所采用的一种通用机制。Doorbell通常是一个映射到主机内存空间（位于设备的BAR中）的寄存器。当Host想要通知设备开始处理任务时，它只需向这个Doorbell的地址执行写操作产生一个PCIe事务。E2000的PCIe控制器能够监控Bar1上的地址，支持将收到写请求转换为硬件中断，并可以读出Host写入的值从而执行特定业务，如从共享内存中读取DMA描述符并执行内存搬运动作，将SKB搬运到EP或RC。

虚拟网卡传输SKB参考通信流程如上图所示：

CPU应用层发送网络数据包，驱动构建SKB。

CPU获取SKB数据的物理地址和长度，并写入BAR空间DMA描述符。

CPU向EP发送Doorbell中断，通知“有新的包要发送”。

EP 进入中断处理函数，读取BAR空间描述符环，申请SKB长度的内存。

EP DMA控制器根据描述符中的地址，直接从主内存中的SKB数据区读取数据并写入申请的内存中。

EP DMA传输结束后，解析TCP报文发给EP的应用层。

本期内容着重为大家介绍了基于PCIE接口实现的应用场景--虚拟网卡，基于PCIe的虚拟网卡通过硬件加速、资源隔离和灵活扩展，成为云计算、HPC、边缘计算等场景的核心组件。除共享内存和虚拟网卡外，PCIe接口在存储加速（NVMe-oF over PCIe）、异构计算（GPU/FPGA直连）及安全计算（TEE可信执行环境）等多个领域也有广泛的应用，欢迎广大读者积极探索。

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