​PCIe BAR（Base Address Register）详解

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BAR（基地址寄存器）​ 是PCIe设备配置空间中的关键部分，用于为设备分配内存或I/O地址空间。以下是其核心概念和工作原理的总结：

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​1. BAR的作用

• ​地址分配：让操作系统知道设备需要多少地址空间，然后分配相应的物理地址。操作系统通过BAR为设备分配物理地址，使设备能够与CPU通信。
• ​资源声明：设备通过BAR告知系统所需的内存或I/O空间大小及类型。

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​2. BAR的结构

• ​位置：位于PCIe配置空间的标准头部（Header），通常有6个BAR（BAR0-BAR5）。
• ​类型：

  类型	标志位（Bit 0）	说明
  ​内存空间	0	32位或64位地址映射
  ​I/O空间	1	传统I/O地址（现代设备较少使用）

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​3. BAR的初始化流程

1. ​探测空间大小：

   • 向BAR写入全1（0xFFFFFFFF），再读取其值。
   • 计算掩码：size = ~(read_value & 0xFFFFFFF0) + 1。
   • ​示例：若读回值为0xFFF00000，则掩码为0x000FFFFF，空间大小为 ​1 MB。

2. ​分配物理地址：

   • 系统根据探测结果分配对齐的物理地址，并写入BAR。

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​4. 32位与64位BAR

• ​32位BAR：支持最大4 GB地址空间。
• ​64位BAR：
  • 使用两个连续的BAR（如BAR0和BAR1）组合。
  • 标志位：Bit 2-1为0b10（64位内存空间）。
  • ​示例：

    BAR0: 0x00000000 (低32位地址)
    BAR1: 0x80000000 (高32位地址)
    组合地址 = 0x8000000000000000

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​5. 常见应用场景

1. ​显卡显存映射：

   • 使用64位BAR映射大容量显存（如16 GB）。
   • 驱动通过ioremap访问该地址。

2. ​NVMe控制器寄存器：

   • BAR0映射控制寄存器（如队列门铃、中断配置）。
   • BAR1映射数据缓冲区（若需要）。

3. ​高速网卡DMA区域：

   • 通过BAR分配连续物理内存，支持零拷贝数据传输。

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​6. 关键属性

• ​预取（Prefetchable）​：Bit 3为1时，允许CPU预取数据（适用于显存等频繁访问区域）。
• ​对齐要求：BAR分配的地址必须按空间大小对齐（如1 MB空间需对齐到1 MB边界）。

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​7. 示例：BAR探测与分配

1. ​设备声明需求：
   • BAR0写入全1后读回0xFFFF0000 → 计算空间大小：

     mask = 0xFFFF0000 & 0xFFFFFFF0 = 0xFFFF0000
     size = ~mask + 1 = 0x0000FFFF + 1 = 0x00010000 → 64 KB

2. ​系统分配地址：
   • 分配64 KB对齐的物理地址（如0x1FE00000），写入BAR0。

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8.BAR的工作过程

BAR的作用是让操作系统知道设备需要多少地址空间，然后分配相应的物理地址。那BAR里面存的是地址吗？好像不是直接存地址，而是通过写入全1来探测所需空间的大小。

比如，当系统启动时，BIOS或操作系统会遍历PCIe设备，读取每个设备的配置空间。当遇到BAR时，会向BAR写入全1（比如0xFFFFFFFF），然后读回数值。根据读回的值，可以判断设备需要的内存或I/O空间的大小和类型。例如，如果低几位是0，那这些位代表地址线，进而可以算出所需空间的大小。比如，一个BAR写入全1后读回0xFFFF0000，那么低16位是0，说明需要64KB的空间？

不过这里可能有个误区，因为不同的BAR类型（内存或I/O）会有不同的格式。内存类型的BAR，最低的几位表示可预取的、地址类型（32位或64位），而I/O类型的BAR则最低位是1。但PCIe设备通常不使用I/O空间，而是使用内存映射的I/O，所以I/O类型的BAR可能较少见。

另外，BAR的数量可能有多个，比如BAR0到BAR5。每个BAR对应不同的资源需求。例如，显卡可能需要一个较大的内存区域来映射显存，而NVMe SSD的控制器可能需要多个BAR来映射不同的寄存器区域。

但具体来说，如何确定一个BAR是32位还是64位的？比如，如果设备需要超过4GB的地址空间，就需要64位的BAR。这时可能需要两个连续的BAR来组成一个64位的地址空间。比如，BAR0是低32位，BAR1是高32位。这种情况下，系统在分配时会识别到这两个BAR是组合使用的，从而分配一个64位的地址范围。

不过，这里可能需要查阅具体的规范。PCIe的配置空间中，每个BAR是32位的，但如果有64位的地址需求，就会使用两个相邻的32位BAR来组成一个64位的地址。这时候第一个BAR的低位会指定这是一个64位的地址空间，而第二个BAR则被保留用于高32位。

比如，当系统探测BAR0时，发现它是一个64位内存类型的BAR，那么就会将BAR0和BAR1合并成一个64位的地址。这时候BAR1就不能单独使用了，必须和BAR0一起使用。所以在设备设计时，如果需要64位地址，就需要保留两个BAR来组成一个64位空间。

另外，BAR的初始化过程是怎样的呢？当系统启动时，操作系统会遍历每个PCIe设备，读取它们的BAR，并写入全1来探测所需空间的大小。然后根据系统的可用地址空间，分配适当的物理地址，并将这个地址写入BAR中。这样，设备就可以通过这个物理地址与系统进行通信了。

举个例子，假设一个设备需要256MB的内存空间，那么系统在探测BAR时，发现写入全1后BAR的值是0xFFF00000，那么低20位是0，说明需要1MB对齐，并且空间大小是1MB？还是说需要更复杂的计算？

哦，可能计算方法是这样的：当向BAR写入全1后，读回的值取反加1，得到的是掩码，然后用这个掩码来确定地址空间的大小。例如，如果BAR是32位的，写入0xFFFFFFFF，读回的是0xFFF00000，那么取反加1得到0x000FFFFF +1 = 0x00100000，也就是1MB的大小。所以设备需要1MB的内存空间。

但是，如果是64位的BAR，可能需要两个32位的寄存器来组合，这时候计算方法可能更复杂。需要将两个BAR的值组合起来，再进行类似的计算。

还有，BAR的地址分配是物理地址，设备通过这个地址直接访问内存，而不需要经过虚拟地址转换。所以，在驱动程序中，通常会将这个物理地址映射到内核的虚拟地址空间，从而让驱动程序能够访问设备的寄存器或内存区域。

不过，这里可能存在一些混淆，比如内存映射的I/O和端口I/O的区别。PCIe设备通常使用内存映射的方式，所以驱动程序通过ioremap之类的函数将BAR中的物理地址映射到内核虚拟地址，然后通过读写这些地址来与设备通信。

总结一下，BAR的作用是让系统为设备分配所需的地址空间，通过写入全1来探测空间的大小，并根据系统的可用地址分配具体的物理地址。每个BAR可以对应内存或I/O空间，而64位的地址需要两个BAR来组合。BAR的数量和设备的需求相关，不同的BAR可能用于不同的功能区域，如控制寄存器、数据缓冲区等。

不过，我可能在某些细节上有误，比如具体的计算方法、BAR的组合方式等，需要查阅PCIe的规范或相关资料来确认。另外，实际中的BAR处理可能还涉及对齐要求、预取属性等更复杂的因素。

9. 常见问题

• ​Q1：如何查看设备的BAR分配？

  • Linux：lspci -vvv 显示BAR地址及大小。
  • Windows：设备管理器 → 资源选项卡。

• ​Q2：BAR地址冲突怎么办？

  • 检查BIOS/UEFI设置，确保地址空间分配正常。
  • 更新驱动或操作系统补丁。

• ​Q3：64位BAR如何支持大内存设备？

  • 系统需支持64位地址映射（如x86_64架构）。
  • 驱动需使用ioremap或mmap映射高地址。

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​10. 总结

• ​BAR是PCIe设备与系统通信的桥梁，通过灵活分配内存/I/O空间支持多样化硬件需求。
• 理解BAR的探测、分配及访问机制，对驱动开发和硬件调试至关重要。

参考：

1. PCIe 总线基础 驱动接口 和 BAR空间详解_pcie bar空间-优快云博客