ACPI.sys，从Windows到Bios的桥梁(2)：Windows应用程序响应GPIO(SCI)设备中断 Bios篇

序

    2010年毕业那会，我首次接触到51单片机，当时发现51单片机如此简单却功能完备：尽管它没有搭载OS，却能接收GPIO Port上的设备事件并反过来控制Port上的设备。反观基于x86体系的PC，虽然功能强大，但终端用户却因为下列限制，很难控制主板上的设备(小到自己往主板上的装一个按键)：

a.主板厂商本着能省则省的原则，未必会在主板上保留空闲的GPIO Port；退一步，即使厂商出于某种原因，保留了空闲的GPIO Port，终端用户没有主板回路图，也无法找到这些GPIO Port；

b.即使用户侥幸找到了GPIO Port，但是GPIO Port是由主板厂商在Bios中设定的，普通用户无法修改这些设定；另外，Intel仅向IBV/OEM等它的合作厂商提供PCH spec，除非发生了类似2020年7月Intel泄露了30G相关资料，否则终端用户无法对外设进行准确的设定；

c.OS足够强大，以至于抽象了底层硬件实现(OS的透明性)，这是积极的一面。但是反过来，正是因为OS的透明性，位于Ring3层的用户或者App很难访问硬件。

以上种种，无不是PC行业整体给初学者添加的重重壁垒。而我，由于机缘巧合，有机会在这些壁垒上自底向上的(Bios--Acpi.sys/OS--驱动--App)打了一串小孔，从而能在Ring3层接受来自硬件层的GPIO中断。本文基于Intel Whiskey Lake平台，总结了这种自上而下的(非标准)访问方式，也算是我对毕业这么多年的一个回顾~

0.神秘的P2SB接口

PCH EDS Vol2中规定，Intel PCH通过P2SB(Primary to Sideband Bridge)接口，以下列公式访问GPIO Pad：

图1.

图2

而P2SB接口是PCH上的PCIe设备，在Whisky Lake平台上，它位于B:0/D:31/F:1。看到这，你的第一反应一定是计算P2SB的配置空间地址，然后通过MMIO方式获得SBREG_BAR。但是P2SB和PMC Controller（B:0/D:31/F:2）一样神秘：即使已知Bus\Device\Function Number，也无法访问该PCIe设备的配置空间：

图3.MMIO方式读取3种PCIe设备的配置空间的结果(Address值0xE0000000,0xE00F9000,0xE00FA000分别对应PCIe设备B:0/D:0/F:0 B:0/D:31/F:1和B:0/D:31/F:2 )。无法获得P2SB的配置空间，进而无法获得P2SB Base Address(B:0/D:31/F:1/Reg 0x10)，所以本文结束！

当然不会结束，我开玩笑的。可以从Intel提供给IBV\OEM的Intel\WhiskLakeSiliconPkg目录下找到（读者可以在Intel泄露的30G资料里找到KabyLakeSiliconePkg~ ）SBREG_BAR和通过P2SB接口访问各类寄存器的宏定义：

/**Definition for PCR addressThe PCR address is used to the PCR MMIO programming
**/
#define PCH_PCR_ADDRESS(Pid, Offset)    (PCH_PCR_BASE_ADDRESS | ((UINT8)(Pid) << 16) | (UINT16)(Offset))#define PCH_PCR_BASE_ADDRESS              0xFD000000     ///< SBREG MMIO base address

这个宏定义可以视为对图1中红线部分的补充说明。

PortID

不同于51单片机访问GPIO Port，Intel PCH视GPIO为GPIO Pad(可以将GPIO Pad理解为主板上的焊点，当然Pad本身也有焊盘的意思。焊点GPIO Pad到真正的GPIO Port之间还有不为人知的回路)。同时，Intel PCH将若干物理内存上相近的GPIO Pad划到同一个GPIO Community(GPIO组)，以便于访问，并赋予各个GPIO Community平台唯一的Port ID。各个平台定义的Port ID不同，需要查询EDS Vol1，下图为Whisky Lake定义的Port ID：

图4.本文用到的是GPIO community 4 GPP_E，Port ID:6A

至此，铺垫已经完成，开始正题：配置Bios使GPIO在OS下触发SCI Event需要3步（把大象关进冰箱要几步？也需要三步。）：

1.配置GPIO，使其能触发GPIO SCI event；

2.配置PMC；

3.ACPI响应SCI event；

1.配置GPIO，使其能触发GPIO SCI event

这一步分3小步：

1.1.选择GPIO pin

如果读者能获得主板的GPIO table(其实读者几乎没可能获得OEM厂商的GPIO table这类内部资料，这就是我在文章开头说的障碍之一)，那么从中挑选一个空闲的GPIO pin并不是难事。这篇文章使用的主板，OEM厂商设置GPP_E22是一个弱上拉信号，辅助Bios判断主板上喇叭类型(品牌喇叭/杂牌喇叭)，我琢磨着这类引脚应该能随意折腾，于是外接了一根引线作为GPP_E22的输入线，另外又引出一根地线：

图5.

1.2.将GPIO Pin配置为Edge/Level触发&Enable GPIO SCI

Bios通过Pad Configuration DW0 寄存器设置来控制GPIO pin的触发方式以及中断触发类型（SCI/SMI/NMI/IOxACPI）等属性，如果将中断触发类型设置为SCI，还需要配置GPI General Purpose Events Enable寄存器：

图6.

图7.

我已经提前在主板上按如下方式配置这2个寄存器，

{GPIO_CNL_LP_GPP_E22, {GpioPadModeGpio,     GpioHostOwnAcpi,   GpioDirIn,       GpioOutDefault,       GpioIntSci | GpioIntLevel,             GpioPlatformReset,  GpioTermNone,     GpioPadConfigUnlock                           }},   

为了验证配置结果，可以将GPI_GPE_EN_GPP_E_22的偏移（Offset:0x164）和PAD_CFG_DW0_GPPC_E_22的偏移（Offset:0x8E0）作为宏PCH_PCR_ADDRESS的参数分别计算出它们的地址，然后用RW查看配置结果：

图8. GPI_GPE_EN_GPP_E_22的配置

图9. PAD_CFG_DW0_GPPC_E_22的配置

这种验证方式并不是很直观，如果读者有"Intel GPIO Configuration"工具，可以以报表的形式，获得更直观的结果：

图10.Intel GPIO Configuration输出结果

1.3.将GPIO Community映射到PMC GPE event

根据PCH spec可知，GPE顶层中断源共有128个，PCH外部中断将中断信号映射到GPE顶层中断源后，才有机会触发中断。仅仅完成上面的配置还不足以触发GPE SCI中断，还需要建立从GPIO到GPE的映射。建立这种映射依赖GPIO Community的Miscellaneous Configuration寄存器(MISCCFG:Offset 10):

图11.

对于Whisky Lake平台，默认的映射关系是GPP_E-->GPE_DW2/None-->GPE_DW1/GPP_B-->GPE_DW0（这种映射关系不能随意改变，改变映射关系可能不会生效）

图12.MISCCFG配置

2.配置PMC

理论上应该配置被GPPC_E22映射的用于触发PMC GPE_EN的寄存器：GPE_EN_95_64，但实际测试过程中发现不去置位GPE_EN_95_64:22也能触发SCI中断。

图12. 

 前面也说过我们无法通过MMIO获得PMC Controller PCIe配置空间的值，更无法获得ACPI Power managerment IO register的地址，所以最终还是要到Intel代码中获得：

TOKENName  = "ACPI_BASE_ADDRESS"Value  = "0x1800"Help  = "ACPI Base Address(ABASE), D31F2, Offset 40h"TokenType = IntegerTargetH = Yes
End

 由此可知，ACPI Power managerment IO register(ABASE)的偏移地址为0x1800：

图13.ACPI Power managerment IO register物理地址输出.

3.ACPI响应SCI event

ACPI命名空间\_GPE下_Lxx\_Exx Control Method用于接收和处理SCI event，_L/_E分别指电平触发和边缘触发，而xx(16 进制)是128个GPE中断源中的编号。本文中GPPC_E Port映射到GPE_96_64(GPPC_E22映射到了GPE_86)，因此我们需要在\_GPE下添加_L56 Control Method：

Intel\CometLakePlatSamplePkg\Acpi\AcpiTables\Dsdt\Gpe.aslScope(\_GPE){Method (_L56, 0, Serialized){DSTR("l-event _L56"); //打印日志}}

重新编译和烧录Bios，看下Bios输出结果

当GPIO pin处于高电平时(pin在上拉状态下)，有大量的"l-event _L56"输出；当GPIO pin搭上Gnd引脚，不会有这条语句输出：

图14.GPP_E22处于高电平时，Bios输出

图15.GPP_E22拉低电后，Bios输出 

总结：

Tiger Lake Platform Controller Hub (PCH) BIOS Specification概括了GPIO SCI的步骤：

参考：

声明：虽然我基于Whiskey Lake平台实现了对硬件的访问，但是该平台的PCH spec以及Bios writer guide不能公开，读者只能用已流落在民间的Skylake Lake平台相关文档替代。尽管Sky Lake和Whiskey Lake两个平台存在差异，但并不影响整体思路。

a.<Intel® 100 Series Chipset Family PCH Datasheet, Vol. 1 > (简称PCH EDS Vol1)/<Intel® 100 Series Chipset Family PCH Datasheet, Vol. 2> (简称PCH EDS Vol2)， 这两份是Intel Skylake PCH spec，规定了PCH的寄存器偏移/默认值等；

b.<Tiger Lake Platform Controller Hub (PCH) BIOS Specification>， 这一份是Intel Tiger Lake bios writer guide，规定了如何在Bios中配置GPIO；