参考 · 存储:PCI 枚举与 AHCI 扇区读写

查阅层。这一页是 Cinux 存储子系统(PCI 设备枚举 + AHCI SATA 驱动)的速查表,不按 tag 组织,给后续章节(026 ramdisk 及以后的文件系统)查接口、寄存器位、命令流程用。实现细节见 025 · 让内核自己找到磁盘。
范围:本文对应 025_driver_ahci 这个 tag 的能力——能找设备、能读/写裸扇区。不含文件系统、不含块缓存、不含 NCQ/多命令并发。

子系统地图

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   PCI 配置空间 (0xCF8/0xCFC)
        │  枚举 bus/slot/func,读 vendor/class/BAR
        ▼
   PCI::find_ahci  ──命中 class=0x01 subclass=0x06──▶  BAR5(ABAR,物理)
        │
        │  VMM.map(BAR5, FLAG_PCD)
        ▼
   HBAMem* (AHCI 寄存器窗,虚拟地址)
        │  reset → AE → IE → 按 pi 位图起端口
        ▼
   AHCI::read/write(扇区级 DMA)
        │  CFIS + PRDT → 写 port.ci → 轮询完成
        ▼
   裸 512B 扇区数据

调用方依次:PCI::init → PCI::find_ahci → AHCI::init(dev) → AHCI::read(port,lba,count,buf_phys)。AHCI::init 内部会自己 map BAR5、复位、起端口。

PCI 配置机制 #1

项	值
配置地址口	`0xCF8`
配置数据口	`0xCFC`
地址字 bit31	使能位(必置)
地址字 bus	`[23:16]`
地址字 slot	`[15:11]`(0-31)
地址字 func	`[10:8]`(0-7)
地址字 register	`[7:2]`,即 `offset & 0xFC`(dword 对齐)

读法:把地址字写进 0xCF8,从 0xCFC 读回 32 位。写法同理,数据写进 0xCFC。

常用寄存器偏移(Cinux PciReg):

寄存器	偏移	说明
VENDOR_ID	`0x00`(低16)	`0xFFFF` = 空槽
DEVICE_ID	`0x02`(高16,与 vendor 同 dword)
COMMAND	`0x04`	bit1=Bus Master、bit2=Memory Space,驱动前要置
REVID/PROG_IF/SUBCLASS/CLASS_CODE	`0x08` 一个 dword	class 在最高字节
HEADER_TYPE	`0x0E`
BAR0..BAR5	`0x10..0x24`,步长 4	AHCI 的 ABAR = BAR5

类别码:MASS_STORAGE = 0x01,AHCI_SUBCLASS = 0x06。

BAR 解码(PCI::read_bars):

bit0 = 1 → I/O 空间 BAR,地址掩 0xFFFFFFFC。
bit0 = 0 → 内存 BAR,地址掩 0xFFFFFFF0;bit[2:1] = 0b10(即 0x04)为 64 位,此时下一个 BAR 槽位是高 32 位,需拼接并跳过该槽位。

枚举上限:MAX_BUS=32、MAX_SLOT=32、MAX_FUNC=8(本驱动暴力全扫)。

AHCI 寄存器布局

ABAR(BAR5)映射成 HBAMem([[gnu::packed]]),字段偏移如下:

字段	偏移	说明
cap	`0x00`	Host Capabilities
ghc	`0x04`	Global HBA Control
is	`0x08`	Interrupt Status(端口位图)
pi	`0x0C`	Port Implemented(端口实现位图)
vs	`0x10`	AHCI Version
…	`0x14-0x28`	ccc_ctl/em_loc/cap2/bohc 等
ports[]	`0x100+`	每端口 `0x80` 字节

static_assert(sizeof(HBAMem) - sizeof(HBAPort) == 0x100) 保证端口从 0x100 开始。

HBAPort(每端口 0x80 字节)关键字段:

字段	偏移	用途
clb / clbu	`0x00 / 0x04`	Command List 基址(低/高 32 位)
fb / fbu	`0x08 / 0x0C`	FIS 接收缓冲基址(低/高 32 位)
is / ie	`0x10 / 0x14`	中断状态 / 使能
cmd	`0x18`	端口命令与状态(ST/CR/FRE/FR 等)
tfd	`0x20`	Task File Data,bit0 = ERR
sig	`0x24`	设备签名(SATA = `0x00000101`)
ssts	`0x28`	SATA 状态,低 4 位 DET
ci	`0x38`	Command Issue,写 `1<<slot` 发命令,完成硬件清

关键位常量

GhcBits(ghc 寄存器):

AE = 1<<31:AHCI Enable。
INT_ENABLE = 1<<1。
HBA_RESET = 1<<0:复位,硬件完成后自己清零(复位会同时清 AE)。

PxCmd(cmd 寄存器):

ST = 1<<0:Start;CR = 1<<15:Command Running(ST 清后硬件清)。
FRE = 1<<4:FIS Receive Enable;FR = 1<<14:FIS Receive Running。

PxSsts.DET:0x03 = 设备在线且链路通信正常(DET_ACTIVE)。

端口停起顺序(规范硬要求)

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   停机: cmd &= ~ST  → 等 CR 清零 → cmd &= ~FRE → 等 FR 清零
   起机: cmd |= FRE  → cmd |= ST

改 clb/fb 这些基地址寄存器前必须先停引擎;顺序反了控制器会拒绝配合或锁死。

命令提交(slot 0、非排队)

内存结构(都需物理连续、对齐、清零):

结构	大小	对齐
Command List	32 头 × 32B = 1024B	1KB
Received FIS Buffer	256B	256B
Command Table	头 128B + PRDT(≤8×16B)	128B
HBACommandHeader	32B	列表里按槽位排
HBAPrdtEntry	16B	4 字节

命令头(HBACommandHeader)关键位:cfl(FIS 长度 dword 数)、prdtl(PRDT 条数)、write(方向)、ctba/ctbau(命令表物理基址)。

PRDT 条目(HBAPrdtEntry):dba/dbau(缓冲物理地址)、dbc(数据字节数 −1,22 位)、i(完成中断)。

字段	值
fis_type	`0x27`(REG_H2D)
flags	`0x80`(bit6=command)
command	读 `0x25`(READ DMA EXT)/ 写 `0x35`(WRITE DMA EXT)
lba0-2	LBA 低 24 位;lba3-5 = 高 24 位(48 位 LBA)
device	`0x40`(LBA 模式位)
count0/count1	扇区数低/高字节(16 位计数)

流程:填 CFIS → 填 PRDT(指向物理连续缓冲,dbc=count*512-1)→ 设命令头(cfl/prdtl/write/ctba)→ port.is = ~0U 清中断 → port.ci = 1<<slot → 轮询 ci 清零 → 查 tfd & 0x01(ERR)。

约束与边界(本 tag 的真实限制)

read/write 的 buf 是物理地址,缓冲必须物理连续且页对齐(一整页天然满足)。
只用 slot 0、单命令串行;execute_command 的 slot 参数实际固定指向 slot 0 的命令表。
用非排队 DMA(READ/WRITE DMA EXT),非 NCQ;扇区计数 16 位。
不处理热插拔、不全做错误恢复(仅查 tfd.ERR)、无块缓存、无分区/文件系统解析。
BAR5 映射 flag 必须含 FLAG_PCD(MMIO 不可缓存);命令列表/FIS 页用 phys + KERNEL_VMA 直访,依赖高半区恒等映射。
仅在 QEMU 的 ahci + ide-hd 后端验证过,未跑真机。

验证入口

host 逻辑镜像测:ctest --test-dir build -R ahci --output-on-failure。
QEMU 机内集成测:cmake --build build --target run-kernel-test(会挂 -device ahci + ahci_test.img)。
测试盘生成:scripts/create_ahci_test_disk.sh(1MB,偏移 510-511 = 0x55 0xAA)。
验收日志:[AHCI] Read sector 0: 55 AA。

源码索引

PCI:pci.hpp / pci.cpp / pci_config.hpp
AHCI:ahci.hpp / ahci.cpp / ahci_config.hpp
集成:main.cpp Step 20-22;QEMU 配置 qemu.cmake
测试:test_ahci.cpp / test_ahci.cpp

权威依据

Intel AHCI Specification rev 1.3:寄存器布局、端口状态机、Command List/FIS 尺寸、FIS 字段、PRDT 约定。
OSDev — PCI、AHCI。

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子系统地图 ​

PCI 配置机制 #1 ​

AHCI 寄存器布局 ​

关键位常量 ​

端口停起顺序(规范硬要求) ​

命令提交(slot 0、非排队) ​

约束与边界(本 tag 的真实限制) ​

验证入口 ​

源码索引 ​

权威依据 ​