PCIe Expansion ROMs

PCIe Expansion ROMs
- 1. 为什么需要Expansion ROM
- 2. 怎么知道PCIe设备是否包含Expansion ROM
- 3. 怎么知道Expansion ROM的空间大小
- 4. Expansion ROM里存了什么
- - 4.1 不只一份Code Image
  - 4.2 Code Image格式
  - - 4.2.1 Header Format
    - 4.2.2 Data Structure Format

1. 为什么需要Expansion ROM

为了将操作系统加载到内存中，系统需要三类设备：

存储设备：用于保存操作系统。
显示设备：用于显示当前的启动进度。
输入设备：用于接收用户输入信息。

在这个阶段，操作系统还没有被加载到内存执行，也就意味着操作系统中对应的设备驱动程序也没有被加载，因此，就需要在Expansion ROM里面存放一份启动阶段使用的设备驱动程序。

说的直接点就是，BIOS阶段向使用一个PCIe设备，但是原始的BIOS不包含这个设备的驱动程序，这个时候就从这个PCIe设备Expansion ROM里获取设备驱动程序代码，并加载到内存中执行。

2. 怎么知道PCIe设备是否包含Expansion ROM

并不是所有PCIe设备都包含Expansion ROM，所以就需要软件进行判定。

在PCIe的配置空间（PCIe Configuration Space）里有个叫“Expansion ROM Base Address Register”的东西，利用它判定Expansion ROM的步骤如下：

向Expansion ROM Base Address Register写入0xFFFF FFFF。
读取Expansion ROM Base Address Register，如果值是0，那就表示不存在Expansion ROM(Game Over!)。如果读取的值非0，那就表示存在Expansion ROM，但这并不就表明这东西可用了，还需要下面的判定步骤。
给PCIe Expansion ROM分配一个合适的地址，把地址的值写入Expansion ROM Base Address Register。
将Expansion ROM Base Address Register bit 0置为1，使能Address Decode。
读取ROM的前两个字节，如果前两个字节是AA55h，那就表明当前ROM是合法可用的，否则还是Game Over。

3. 怎么知道Expansion ROM的空间大小

在Expansion ROM的判定阶段，有一个过程是向Expansion ROM Base Address Register写入0xFFFF FFFF，然后读取它的值，利用这个值就可以判定出Expansion ROM的空间大小。

假设写入0xFFFF FFFF之后，读出的值是0xFFFE 0000，那么第17位就是非0值的最低位，那么Expansion ROM的大小就是2^17 Bytes= 128KB。PCI文档规定，ROM最大可为16MB，即bit[31:25]必须是可读/可写的。

4. Expansion ROM里存了什么

4.1 不只一份Code Image

就像之前提到的，ROM存了设备的驱动程序代码，专业点叫做code image。实际上，PCI协议规定ROM里可以存放不只一份code image，不同的code image对应不同的处理器架构、同一供应商的不同产品等等。BIOS或者其他软件需要选择最合适的code image提取到内存中执行。

每一份code image包含run-time code image和initialization code image两部分。BIOS或其他上位机软件按照如下步骤使用code image：

将最合适的code image拷贝的内存中。
将Expansion ROM Base Address Register bit 0置为0，关闭Expansion ROM’s address decoder。
执行initialization code。
释放initialization code所占用的内存。
将剩余的code image所占用的内存部分设置为写保护（write-protected），避免被修改。

4.2 Code Image格式

4.2.1 Header Format

在每个image最开始的地方都有一个Header，因此可以叫它code image header。

下面的表格描述了code image header的格式（第一列的offset是指相对于该image起始位置的偏移）：

Offset 02h~17h的位置存放的是处理器相关的数据，其格式如下表：

4.2.2 Data Structure Format

Data structure中包含了设备信息和image信息。

由于code image header中使用两个bytes存放指向data structure的指针，所以data structure只能存放在该code image的前64KB范围内。

当code image中包含run-time code时，data structure必须放在run-time code中。但是在某些情况下，code image可以不包含run-time image，只有initialization code，此时data structure放在initialization code中。

Data Structure格式如下表：

Vendor ID & Device ID & Class Code ：只有当这三个参数与设备匹配时，该image才会被BIOS加载到内存中执行。
Code Type：表明当前image的执行条件。
- Code Type = 00h：Intel x86 (兼容IBM PC-AT）架构可执行代码。
- Code Type = 01h：符合open firmware标准，可结合OpenBoot使用。
- Code Type = 02h：HP PA/RISC架构可执行代码。
- Code Type = 03h：Extensible Firmware Interface（EFI）

参考资料：《PCI Express System Architecture》