BIOSがPCI Expressを初期化する手順が見えてきた

ようやく、PCI Expressの初期化の手順が見えてきました。
というわけで、開発中のPCI Express IPコアに、コンフィギュレーションレジスタを徐々に実装しはじめています。

下の図は、初期化時におけるFPGA内の各種信号を、JTAGロジックアナライザでキャプチャしたものです。

まず、電源を入れると、アドインカードとマザーボード上のチップセットで通信をし、PCI Expressの物理層、データリンク層を初期化します。

最初に送られてくるパケットはロック解除のパケットで、その次は０番のコンフィギュレーションレジスタの読み出しです。
０番を読むのは、VID PIDを確認して、PCI Expressスロットにカードがささっているかどうかを確かめるためでしょう。

このように、送られてきたパケットをJTAGロジアナで解析して、時系列に並べると

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1 Message
2 ConfigRd 0x0000 (BE=1111)　ベンダIDの読み出し
3 ConfigRd 0x0000 (BE=1111)　ベンダIDの読み出し
4 ConfigRd 0x0008 (BE=1100)　クラスコードの読み出し
5 ConfigRd 0x0008 (BE=1100)　クラスコードの読み出し
6 ConfigRd 0x0034 (BE=0001) Capability Register Pointerの読み出し
　　IPコアは上記の読み出し要求に0x60を返す。
7 ConfigRd 0x0060 (BE=0011) MSI Cap.
8 ConfigRd 0x0070 (BE=0011) Power Management Cap.
9 ConfigRd 0x0080 (BE=0011) PCI Express Cap.を読み出し
10 ConfigRd 0x0090 (BE=1000) Link Statusレジスタを読み出し
11 ConfigRd 0x0090 (BE=0001) Link Controレジスタを読み出し
12 ConfigRd 0x0090 (BE=0001) Link Controレジスタへ書き込み
13 ConfigRd 0x0000 (BE=0011) ？？
・・続く・・
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こんな感じでした。

この手順を簡単に説明します。

まず最初に、マザーボード上のBIOSは、アドインカードのベンダIDを２回読み出します。
その次は、アドレス８番にある、クラスコード等を読み出しに来ます。

クラスコードというのは、アドインカードの種類を知らせる番号です。
もしPCI ExpressのスロットにささっているのがVGA互換のビデオカードならば、マザーボードに内蔵のビデオチップを無効にしてPCI Expressのビデオ出力を使うようにするため、BIOSの中でそういう処理をしているのでしょう。

次に、0x34番にある「Capability Register Pointer」というレジスタを読み出しています。
このポインタは、PCIで後から拡張された機能に関するコンフィギュレーションレジスタの位置を指し示すポインタです。
これはPCIではオプションだったようで、PCIではこのレジスタが存在するかどうかはステータスレジスタを読まなければならなかったのですが、PCI Expressでは必ず実装することになっています。したがって、BIOSはステータスレジスタを調べもせず、いきなり「Capability Register Pointer」を読みに来ます。

このレジスタには、まず、PCI Expressの割り込みの仕組みである「MSI」のためのコンフィギュレーションレジスタのポインタを指し示しておきます。今回開発しているIPコアでは、0x60番に配置しておきました。
すると、BIOSは今度は0x60番のコンフィギュレーションレジスタを読みに来ます。
0x60番には「Power Management Capability Structure」へのポインタを書いておきます。
「Power Management・・」は、今回開発しているIPコアでは、0x70番に配置しておきました。
で、0x70番には次の「PCI Express Capability Structure」へのポインタを書いておきます。

「PCI Express Capability Structure」には、アドインカードのリンク速度やらレーン数などの情報が格納されたレジスタなどが詰まっています。
BIOSは、このレジスタ群をみつけるまで、芋づる式にポインタをたどっていくようです。

そして、「PCI Express Capability Structure」を見つけると、BIOSの中のプログラムは、その中にあるリンク・ステータスレジスタを読んで、リンク・コントロールレジスタの中のCommon Clockとかビット(マザーボードとアドインカードのREFCLKが同じクロックで動いていることを示すビット)をセットします。

その後、BIOSはPCI Expressへのアクセスを停止し、しばらくしてからまた最初のようにベンダIDを読みに来ます。
ただし、アドインカードに割り当てられたPCI ExpressのBus番号が、１回目とは異なっているので、Enumerationに何か秘密があるのでしょう。
続きはまた後ほど解析して、紹介します。

今回の初期化時の波形をもっと詳しくごらんになりたい方は、「pciecap.jla」をダウンロードしてください。波形のデータファイルがダウンロードできます。

この波形は、無償の波形ビューワ「http://www.nahitech.com/support.html」か、またはMITOUJTAGの新機能Advanced JTAG Logic Analyzerで見ることができます。